ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Ковальчук Олександр Миколайович

УДК 621.923

ОПТИМІЗАЦІЯ СТРУКТУРИ І ПАРАМЕТРІВ ОПЕРАЦІЙ ШЛІФУВАННЯ ВІДПОВІДАЛЬНИХ ВАЛІВ ПРИВОДІВ ШАХТНИХ КОНВЕЄРІВ

Спеціальність 05.02.08 ? технологія машинобудування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса – 2008

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в ВАТ Харківський машинобудівний завод “Світло шахтаря” Міністерства промислової політики України (м. Харків).

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Новіков Федір Васильович,

Харківський національний економічний університет,

професор кафедри “Техніка і технології” (м. Харків).

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Якімов Олександр Васильович,

Одеський національний політехнічний університет, професор кафедри “Технологія машинобудування”

(м. Одеса);

кандидат технічних наук

Ліщенко Наталя Володимирівна,

Одеська національна академія харчових технологій, асистент кафедри “Фізика та матеріалознавство”

(м. Одеса).

Захист відбудеться “_18_” квітня 2008 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.02 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

Автореферат розісланий “14” березня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Оборський Г.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На машинобудівних підприємствах параметри точності і якості обробки деталей машин традиційно формуються на операціях остаточного шліфування. Тому вдосконалювання даних операцій має велике наукове й практичне значення. В значній мірі це відноситься до шліфування відповідальних деталей типу вал (східчастих валів, валів?шестірней й інших) приводів шахтних конвеєрів ? планетарних редукторів потужністю більше 200 кВт, що виготовляються з низьковуглецевих легованих сталей, загартованих до твердості HRC 62?65. Дані деталі працюють в умовах значних навантажень і до них пред'являються високі вимоги по точності і якості обробки. Наприклад, точність розміру вала діаметром 200 мм ? у межах 0,002…0,008 мм, а шорсткість обробки ? =0,2 мкм. Це викликає значні труднощі їхньої обробки як з погляду стабільного забезпечення точності й шорсткості, так і збільшення продуктивності обробки, оскільки застосовувані операції круглого урізного й поздовжнього шліфування характеризуються досить високою трудомісткістю.

Підвищити точність, якість і продуктивність обробки можна, як відомо, за рахунок застосування автоматизованого технологічного обладнання й оптимальних за структурою й параметрами операцій круглого зовнішнього шліфування. При цьому важливо знати технологічні можливості операцій шліфування, мати у своєму розпорядженні математичні моделі основних параметрів обробки, що дозволить науково обґрунтовано вибирати оптимальний маршрут обробки й параметри операцій. Однак, на практиці рішення оптимізаційних технологічних задач як і раніше виконується на основі емпіричних залежностей, отриманих для цілком конкретних умов обробки, що не дає загального уявлення про технологічні можливості операцій шліфування по підвищенню точності, якості й продуктивності обробки. У зв'язку із цим у роботі вирішується важливе й актуальне науково-практичне завдання розробки і впровадження ефективних операцій круглого зовнішнього шліфування відповідальних валів приводів шахтних конвеєрів на основі оптимізації їхньої структури й параметрів за критерієм найменшого основного часу обробки з урахуванням обмежень по точності й шорсткості оброблюваної поверхні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до Постанови Кабінету Міністрів України № 516 від 18.04.2006 р. “Державна програма розвитку машинобудування на період 2006-2011 р.р.” і тематичних планів робіт ВАТ Харківський машинобудівний завод “Світло шахтаря”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності операцій круглого зовнішнього шліфування відповідальних валів приводів шахтних конвеєрів на основі оптимізації їхньої структури й параметрів за критерієм найменшого основного часу обробки з урахуванням обмежень по точності й шорсткості оброблюваної поверхні.

Для досягнення даної мети в роботі поставлені наступні задачі:

? розробити новий теоретичний підхід до оптимізації структури й параметрів операцій круглого зовнішнього шліфування за критерієм найменшого основного часу обробки з урахуванням обмеження по точності розміру оброблюваної поверхні;

? на основі розробленого теоретичного підходу визначити оптимальну кількість переходів, значення швидкостей подач і величин припусків, що знімаються, на кожному переході, вибрати й обґрунтувати оптимальні за структурою операції круглого зовнішнього шліфування;

? розробити математичну модель визначення параметрів точності обробки на операціях круглого зовнішнього шліфування на основі урахування балансу переміщень у технологічній системі;

? провести експериментальні дослідження параметрів операцій круглого зовнішнього урізного й поздовжнього шліфування для оцінки вірогідності отриманих теоретичних рішень і виявлення потенційних можливостей розглянутих операцій шліфування;

? провести теоретичні й експериментальні дослідження з обґрунтування умов зменшення шорсткості обробки на операціях круглого зовнішнього шліфування;

? розробити й впровадити у виробництво ефективні операції круглого зовнішнього шліфування відповідальних валів приводів шахтних конвеєрів.

Об'єкт дослідження ? операції круглого зовнішнього урізного й поздовжнього шліфування відповідальних валів приводів шахтних конвеєрів.

Предмет дослідження ? оптимізація структури й параметрів операцій круглого зовнішнього урізного й поздовжнього шліфування відповідальних валів приводів шахтних конвеєрів за критерієм найменшого основного часу обробки з урахуванням обмежень по точності і шорсткості оброблюваної поверхні.

Методи дослідження. Застосовувалися теоретичні методи, що базуються на фундаментальних положеннях технології машинобудування, теорії різання матеріалів, математичного аналізу, опору матеріалів і теорії пружності; математичне моделювання; експериментальні методи із застосуванням профілографа-профілометра, твердоміра Роквелла, мікроскопа ММР-4.

Наукова новизна отриманих результатів. 1. Розроблено новий теоретичний підхід до оптимізації структури й параметрів операцій круглого зовнішнього шліфування за критерієм найменшого основного часу обробки з урахуванням обмеження по точності розміру оброблюваної поверхні, що дозволив визначити оптимальну кількість переходів, значення швидкостей подач і величин припусків, що знімаються на кожному переході, й на цій основі виявити, обґрунтувати і реалізувати нові технологічні можливості операцій круглого урізного й поздовжнього шліфування відповідальних валів приводів шахтних конвеєрів.

2. Визначена оптимальна за структурою й параметрами операція круглого урізного шліфування із дискретно зменшуваною у часі швидкістю радіальної подачі, у якій зміна по переходах швидкості радіальної подачі підкоряється закону убутної геометричної прогресії, а кількість переходів встановлюється рівною натуральному логарифму від сумарного уточнення.

3. Теоретично доведена можливість суттєвого зменшення основного часу обробки на операції круглого урізного шліфування за рахунок переходу від дискретно до безупинно зменшуваної у часі за експонентним законом швидкості радіальної подачі.

4. Теоретично обґрунтована оптимальна за структурою операція круглого поздовжнього шліфування, що виконується у два переходи (чорнове шліфування й виходжування) з однаковою максимально досяжною на верстаті швидкістю поздовжньої подачі й із глибиною шліфування на першому переході, рівною величині припуску, що знімається.

5. Теоретично обґрунтована й експериментально доведена можливість значного підвищення ефективності операцій круглого зовнішнього шліфування валів за рахунок застосування схеми шліфування послідовними врізаннями ? із радіальною подачею уступами, що характеризується найменшим основним часом обробки при забезпеченні заданої точності розміру оброблюваної поверхні.

6. Розроблено математичну модель визначення параметрів точності обробки на операції круглого урізного шліфування з урахуванням балансу переміщень у технологічній системі й на її основі обґрунтовані можливості підвищення точності й продуктивності обробки за рахунок зменшення постійної часу утворення пружного переміщення в технологічній системі.

Практична значимість отриманих результатів полягає в тому, що на основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень розроблені ефективні операції круглого зовнішнього шліфування відповідальних валів приводів шахтних конвеєрів, що дозволяють підвищити продуктивність і знизити собівартість обробки при забезпеченні необхідної точності й шорсткості оброблюваних поверхонь. Розроблені операції шліфування впроваджені у ВАТ Харківський машинобудівний завод “Світло шахтаря” із загальним економічним ефектом понад 145 тисяч гривень у рік. Результати теоретичних і експериментальних досліджень роботи використовуються в навчальному процесі на кафедрі “Техніка і технології” Харківського національного економічного університету.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що їм розроблений теоретичний підхід до оптимізації структури і параметрів операцій круглого зовнішнього шліфування за критерієм найменшого основного часу обробки з урахуванням обмеження по точності розміру оброблюваної поверхні. Визначено оптимальну кількість переходів і значення швидкостей подач і величин припусків на кожному переході, обґрунтовані оптимальні за структурою операції круглого урізного й поздовжнього шліфування. Зроблено експериментальну оцінку вірогідності отриманих теоретичних рішень. Визначено умови зменшення шорсткості обробки. Розроблені і впроваджені у виробництво ефективні операції круглого зовнішнього шліфування відповідальних валів приводів шахтних конвеєрів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися й обговорювалися на X?XIII Міжнародних науково-технічних конференціях “Фізичні та комп'ютерні технології”, м. Харків, 2005 ? 2007 р.р.; XIV Міжнародному науково-технічному семінарі “Високі технології: тенденції розвитку”, м. Харків ? м. Алушта, 2005р.; XIII?XV Міжнародних науково-практичних конференціях “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я”, м. Харків, 2005?2007р.р.; ІІІ і ІV Міжнародних науково-технічних конференціях “Сучасні інструментальні системи, інформаційні технології та інновації”, м. Курськ, Росія, 2005, 2006р.р. Роботу в повному обсязі заслухано та схвалено на розширеному науковому семінарі кафедри “Технологія машинобудування” Одеського національного політехнічного університету (2007р.) та науково-технічному семінарі в ВАТ Харківський машинобудівний завод “Світло шахтаря” (2007р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 17 наукових працях, у тому числі 9 наукових праць у виданнях, рекомендованих ВАК України, та 2 патенти України.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається із введення, п'яти розділів, висновків і двох додатків. Повний обсяг дисертаційної роботи становить 204 сторінки, з них 88 ілюстрацій на 38 сторінках; 16 таблиць за текстом; 161 найменування використаних літературних джерел на 17 сторінках; 2 додатки на 3 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дана загальна характеристика роботи, у якій обґрунтована актуальність, новизна і практична значимість отриманих результатів, сформульовані мета і задачі досліджень. Показано особистий внесок здобувача у виконану роботу і результати апробації дисертації.

У першому розділі проведено аналіз рівня діючих технологічних операцій круглого зовнішнього урізного й поздовжнього шліфування відповідальних валів приводів шахтних конвеєрів і показані їхні основні недоліки, що складаються в нестабільності забезпечення заданих вимог по точності й шорсткості оброблюваних поверхонь і високій трудомісткості обробки у зв'язку з виникненням у технологічній системі значних пружних переміщень. Відзначається, що завдяки зусиллям багатьох учених у науково-технічній літературі складено досить повне уявлення про закономірності формування параметрів точності й шорсткості обробки при шліфуванні, розроблені ефективні автоматизовані високопродуктивні цикли круглого зовнішнього шліфування, що дозволяють зменшити негативну роль пружних переміщень у процесі обробки. Разом з тим, фактично відсутні аналітичні рішення про оптимальні структури операцій (або циклів) шліфування, що враховують пружні властивості технологічної системи. Це не дозволяє виявити, обґрунтувати й реалізувати в повній мірі їхні потенційні можливості, що вимагає проведення комплексу досліджень по оптимізації структури й параметрів операцій круглого зовнішнього шліфування відповідальних валів приводів шахтних конвеєрів, у першу чергу на основі критерію найменшого часу обробки з урахуванням обмежень по точності розміру (обумовленого пружними переміщеннями в технологічній системі) і шорсткості оброблюваної поверхні. Виходячи із цього, сформульована мета і задачі досліджень, які наведені вище.

У другому розділі наведено розроблений теоретичний підхід до оптимізації структури й параметрів операцій круглого зовнішнього урізного шліфування за критерієм найменшого основного часу обробки з урахуванням обмеження по точності розміру оброблюваної поверхні. Розглянуто три принципові схеми круглого зовнішнього урізного шліфування (рис.1): з дискретно змінюваною в часі швидкістю радіальної подачі й з дискретним характером контакту круга з оброблюваною деталлю; з безупинно змінюваною в часі швидкістю радіальної подачі й з постійним контактом круга з оброблюваною деталлю; з дискретно змінюваною в часі швидкістю радіальної подачі й з постійним контактом круга з оброблюваною деталлю. Установлено, що в першому випадку при шліфуванні в переходів основний час обробки визначається:

, (1)

де , , , ? відповідно основний час обробки, величина припуску, швидкість радіальної подачі й величина пружного переміщення, що виникає в технологічній системі, на -ному переході; ? сумарний припуск, м; ? постійна часу утворення пружного переміщення в технологічній системі, с; ? умовна напруга різання при шліфуванні, Н/м2; ? жорсткість технологічної системи в радіальному напрямку, Н/м; ? коефіцієнт шліфування; ,? тангенціальна і радіальна складові сили різання, Н; ? швидкість круга, м/с; ? площа оброблюваної поверхні, м2; ? діаметр деталі і висота круга, м.

Із залежності (1) випливає нескінченна безліч екстремумів (мінімумів) основного часу обробки від величин пружних переміщень , , , …, , виникаючих у технологічній системі на кожному переході, а також те, що найменше значення досягається за умови ; . Підкоряючи функцію необхідній умові екстремуму, тобто =0, установлено, наприклад, що при шліфуванні у два переходи екстремальні значення основного часу обробки і пружного переміщення на першому переході (рис. 2,а) визначаються залежностями:

, . (2)

При цьому найбільше й найменше значення основного часу обробки відрізняються в 5 разів (рис. 2,б), що свідчить про важливість дослідження функції на екстремум і визначення екстремальних значень параметрів шліфування. При шліфуванні в переходів екстремальне (мінімальне) значення визначається:

, (3)

Рис. 2. Залежність від для =1с, = =1 мм, =0,01 мм (а) і залежність від для =1с, =1 мм, =0,01 (б).

де ? сумарне уточнення на розмір оброблюваної поверхні.

При цьому доведено, що по тривалості всі переходи однакові: . Отже, відношення величин пружних переміщень, що виникають на попередньому й наступному переходах, однаково для кожного переходу й дорівнює уточненню на розмір оброблюваної поверхні = . Це означає, що з кожним наступним переходом величини пружного переміщення й відповідно швидкості радіальної подачі убувають по геометричній прогресії зі знаменником, обернено пропорційним уточненню :

= = ; = . (4)

Виходячи із залежності (3) установлено, що функція від числа переходів має екстремум (мінімум, рис. 3), що досягається за умови:

або . (5)

Як видно, екстремальне (оптимальне) число переходів визначається лише сумарним уточненням , а на кожному переході реалізується оптимальне уточнення , рівне числу 2,72. Отже, знаменником убутної геометричної прогресії є величина 0,36 і справедливі співвідношення (4):

; . (6)

Найменший основний час обробки при цьому дорівнює:

. (7)

Очевидно, зменшити можна за рахунок зменшення параметра .

Таблиця 1

Розрахункові значення і залежно від числа переходів ( =1с) |

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8

2,72 | 7,4 | 20,1 | 54,7 | 148,9 | 405 | 1101 | 3000

,с | 2,72 | 5,4 | 8,1 | 10,8 | 13,6 | 16,3 | 19,0 | 21,7

Із табл. 1 випливає, що зі збільшенням сумарного уточнення кількість переходів збільшується, однак не істотно. Наприклад, у діапазоні зміни =2,72...54,7 (що має місце на практиці) кількість переходів змінюється в діапазоні 1...4. Даний висновок справедливий і у випадку, якщо розглядати замість переходів операції. Отримана вище залежність погодиться з відомою і широко застосовуваною на практиці емпіричною залежністю для визначення кількості операцій або переходів при обробці конкретної поверхні:

або , (8)

де ? коефіцієнт ( =0,45?0,5); ? сумарне уточнення; , ? допуски відповідно на розмір заготовки й готової деталі.

Із залежності (1) випливає, що зменшити основний час обробки можна також за рахунок вилучення величин , , , …, із чисельників всіх доданків. Це досягається застосуванням схеми круглого урізного шліфування з постійним у часі контактом круга з оброблюваною деталлю і з безупинно змінюваною швидкістю радіальної подачі, описуваною диференціальним рівнянням:

, (9)

де ? середня швидкість радіальної подачі на “умовному” переході; ? час “умовного” переходу.

Рішення диференціального рівняння (9) з урахуванням початкової умови , де ? початковий натяг у технологічній системі:

, . (10)

На відміну від шліфування з дискретно змінюваною в часі швидкістю радіальної подачі, коли пружне переміщення й швидкість радіальної подачі підкоряються закону убутної геометричної прогресії, при шліфуванні з безупинно змінюваною в часі швидкістю радіальної подачі ці величини підкоряються експонентному закону. При цьому встановлено, що мінімум основного часу обробки досягається за умови створення в технологічній системі початкового натягу, рівного величині припуску, тобто :

. (11)

Порівнюючи залежності (7) і (11) для визначення мінімуму основного часу обробки , видно, що вони відрізняються лише числом , тобто при шліфуванні з безупинно змінюваною в часі швидкістю радіальної подачі продуктивність більше в 2,72 рази. Якщо в технологічній системі не можна створити початковий натяг , рівний величині припуску , то кругле урізне шліфування варто виконати у два переходи. Перший перехід ? з постійною швидкістю радіальної подачі , а другий перехід ? зі змінною швидкістю , обумовленою залежністю (10). Тоді основний час обробки виразиться:

. (12)

Таблиця 2

Розрахункові значення (у секундах) для =1с

( ) | 3,0 | 3,72 | 7,4 | 19,2 | 52,7 | 145,9 | 341 | 1097

( ) | 5,0 | 5,72 | 9,4 | 21,2 | 54,7 | 147,9 | 343 | 1099

( ) | 7,0 | 7,72 | 11,4 | 23,2 | 56,7 | 149,9 | 345 | 1101

В даному випадку величина визначає точність розміру оброблюваної поверхні, і вона задана, а ? змінна величина, що змінюється в межах 1…. Із залежності (12) випливає, що зменшити можна за рахунок зменшення 1, табл. 2. Відношення встановленого значення до значення =1 дозволяє кількісно оцінити в скільки разів основний час обробки більше мінімально можливого значення , тобто на скільки ефективна застосовувана схема круглого урізного шліфування у два переходи. Наприклад, для =0,5 мм, =0,008 мм, =0,02 мм, маємо , . Виходячи з табл. 2, у цьому випадку дорівнює 21,2 с, а мінімальний основний час обробки (при = =1) дорівнює 5 с. Відповідно їхнє відношення дорівнює 4. Цим показано, що для даної технологічної системи найбільш ефективною схемою круглого урізного шліфування є схема, що включає переходи чорнового шліфування й виходжування. У порівнянні з оптимальною схемою обробки, що реалізує лише перехід виходжування й забезпечує мінімум основного часу обробки, дана схема в 4 рази менш продуктивна. Це обумовлено досить великими значеннями й . Отримані теоретичні рішення погодяться з експериментальними даними, наведеними на рис. 4. Так експериментально встановлено, що параметр не залежить від швидкості радіальної подачі при круглому урізному шліфуванні й змінюється в межах 1,2 ... 1,28 с, тобто в першому наближенні параметр можна розглядати постійною величиною. Установлено також, що зі збільшенням швидкості радіальної подачі сумарний основний час обробки на переходах чорнового шліфування й виходжування (при заданій точності розміру обробленої поверхні) зменшується. Це пов'язано зі збільшенням величини пружного переміщення на початку переходу виходжування.

а б

Рис. 4. Залежності величин (а) і (б) від швидкості радіальної подачі при круглому урізному шліфуванні: круг ? 1А1 х80х203 24А 40 СМ1 К6; оброблювальний матеріал ? сталь 45; =35 м/с; =13,2 м/хв.

У третьому розділі на основі розробленого теоретичного підходу до оптимізації структури й параметрів операцій круглого зовнішнього урізного й поздовжнього шліфування зроблений вибір найбільш ефективної операції. Для цього проведений аналіз операції круглого урізного шліфування з дискретно змінюваною в часі швидкістю радіальної подачі й постійним контактом круга з оброблюваною деталлю по критерію основного часу обробки :

, (13)

де ? величини пружних переміщень, що виникають у технологічній системі відповідно на першому, другому, третьому й ?ному переходах, м.

Підкоряючи функцію необхідній умові екстремуму від змінних величин , отримано екстремальне (мінімальне) значення :

. (14)

При цьому аналітично установлено, що справедлива умова: . Отже, відношення величин пружних переміщень, що виникають на попередньому й наступному переходах, однаково для кожного переходу й дорівнює уточненню на розмір оброблюваної поверхні = . Тому, з кожним наступним переходом величини пружного переміщення й відповідно швидкості радіальної подачі убувають по геометричній прогресії зі знаменником, обернено пропорційним уточненню . Установлено, що функція , на відміну від аналогічної функції , описуваної залежністю (2), не має екстремуму від кількості переходів , табл. 3. Вона безупинно зменшується зі збільшенням (рис. 5), асимптотично наближаючись до значення , яке визначається із залежності (9) для схеми круглого зовнішнього урізного шліфування з безупинно змінюваною в часі швидкістю радіальної подачі й постійним контактом круга з деталлю, тобто при схеми (II) і (III) рівносильні.

Таблиця 3

Розрахункові значення для =1с і =100 |

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 10 | 20

,с | 99,0 | 18,0 | 10,8 | 8,6 | 7,5 | 6,9 | 6,0 | 5,4

а

б

Рис. 5. Залежність функції від кількості переходів (а) і класифікація основних схем круглого урізного шліфування (б).

При невеликій кількості переходів =1...4 залежності (3) і (14) фактично ідентичні й підкоряються залежності (7). Тому зі збільшенням , по суті, має місце перехід від схеми (I) круглого урізного шліфування з дискретно змінюваною в часі швидкістю радіальної подачі і дискретним характером контакту круга з оброблюваною деталлю до розглянутої вище схеми шліфування (II). Отже, схема (II) по тривалості обробки займає проміжне положення між схемами (I) і (III), рис. 5,а. Функція зменшується від до 1 (при ), тобто застосування схеми (II) круглого урізного шліфування з дискретно змінюваною в часі швидкістю радіальної подачі й постійним контактом круга з оброблюваною деталлю дозволяє зменшити основний час обробки. На цій основі запропонована класифікація схем круглого зовнішнього урізного шліфування, рис. 5,б.

У роботі проведена аналітична оптимізація структури й параметрів операції круглого поздовжнього шліфування (що включає два переходи: чорнове шліфування й виходжування) на основі отриманої аналітичної залежності для визначення мінімального основного часу обробки й значень швидкості поздовжньої подачі на різних проходах:

; , (15)

де ? довжина оброблюваної деталі, м; ? висота круга, м.

Установлено, що величина тим менша, чим більша швидкість поздовжньої подачі й кількість проходів круга при виходжуванні, а також чим менша кількість проходів при чорновому шліфуванні. При цьому доведено, що швидкість поздовжньої подачі необхідно на всіх проходах (включаючи чорнове шліфування й виходжування) установлювати однаковою, максимально досяжною для даного верстата. Це добре погодиться із практикою застосування круглого поздовжнього й плоского шліфування і свідчить про вірогідність отриманих теоретичних результатів. Зроблено порівняння основного часу обробки при круглому зовнішньому поздовжньому і урізному шліфуванні по залежностях:

; , (16)

де ? кількість проходів круга; ? гранична глибина шліфування, м; .

Установлено, що при однаковій заданій точності розміру оброблюваної поверхні, обумовленої величиною , застосування схеми круглого зовнішнього урізного шліфування дозволяє зменшити основний час обробки, рис. 6,а. Отже, при обробці циліндричних поверхонь варто рекомендувати схему шліфування послідовними врізаннями ? з радіальною подачею уступами, як найбільш продуктивну схему. Це погодиться з експериментальними даними, рис. 6,б.

Рис. 6. Залежності від для круглого поздовжнього (1) і урізного (2) шліфування (а) і діаграма розподілу основного часу обробки для круглого поздовжнього шліфування й шліфування послідовними врізаннями ? з радіальною подачею уступами (б): круг ? 1А1 400х80х203 24А 40 СМ1 К6; оброблювальний матеріал ? сталь 45; =35 м/с; =13,2 м/хв.

У четвертому розділі наведена розроблена математична модель визначення параметрів точності обробки на операції круглого урізного шліфування на основі урахування балансу переміщень у технологічній системі. Для цього складені рівняння балансу переміщень у технологічній системі відповідно на переходах чорнового шліфування й виходжування:

, (17)

, (18)

де ? час обробки, с; ? лінійна швидкість знімання припуску, м/с; ? швидкість радіальної подачі шліфувального круга, м/с.

Рішення диференціального рівняння (17):

; , (19)

де ? величина пружного переміщення, м; ? величина пружного переміщення, що виникає в технологічній системі в сталому в часі процесі шліфування, м; ? поточне значення припуску, що знімається, м.

Рішення диференціального рівняння (18):

; , (20)

де ? натяг у технологічній системі на початку переходу виходжування, м.

Величина пружного переміщення визначає точність розміру оброблюваної поверхні. Як видно, на переході чорнового шліфування величина збільшується, а на переході виходжування ? зменшується із часом обробки . Це свідчить про те, що виконання операції круглого зовнішнього шліфування у два переходи (чорнове шліфування й виходжування) забезпечує задану точність розміру оброблюваної поверхні. При цьому доведено, що при умові =0,05...1,0 фактично реалізується максимально можлива продуктивність обробки з урахуванням обмеження по точності розміру оброблюваної поверхні (де ? величина припуску, що знімається, м). В роботі отримані аналітичні залежності для встановлення величини ?, що визначає похибку форми оброблюваної деталі, відповідно на переходах чорнового шліфування й виходжування:

? ; , (21)

де ? час знімання припуску, рівного величині вихідної похибки форми оброблюваної деталі на переході чорнового шліфування, с; ( ) ? вихідна похибка форми оброблюваної деталі на переході виходжування, м.

Доведено, що із часом обробки величина ? на двох переходах зменшується, причому, більш інтенсивно на переході виходжування. Отримані також аналітичні залежності для визначення сумарного уточнення відповідно на переходах чорнового шліфування й виходжування:

; . (22)

Як видно, за рахунок збільшення часу обробки або до значень, що перевищують у кілька разів параметр , можна реалізувати значні величини сумарного уточнення , рис. 7. Із цього зроблений висновок про необхідність зменшення параметра з метою зменшення припуску, що залишається для виправлення похибки форми оброблюваної деталі, і зниження часу обробки. В роботі теоретично пока-

зано, що отримані аналітичні залежності для визначення сумарного уточнення справедливі як для шліфування, так і для інших методів механічної обробки, зокрема, точіння. Їхня відмінність складається лише в тому, що при шліфуванні параметр визначається швидкістю круга, а при точінні ? швидкістю деталі. У зв'язку із цим, обґрунтовані шляхи зменшення параметра при шліфуванні й точінні, а також визначені умови, при яких при точінні параметр може бути меншим, ніж при шліфуванні. Вони складаються в зменшенні силової напруженості процесу обробки й збільшенні швидкості деталі до значень, близьких до швидкості круга при шліфуванні.

У п'ятому розділі наведені результати теоретичних і експериментальних досліджень шорсткості поверхні при круглому зовнішньому шліфуванні. Теоретично встановлено, що однією з основних умов зменшення шорсткості поверхні при шліфуванні є збільшення числа одночасно працюючих зерен круга. Це досягається застосуванням абразивних (алмазних) інструментів із одношаровим (одновисотним) розташуванням зерен на їх робочій поверхні, наприклад, шліфувальних кругів, що допускають “утопання” ріжучих зерен у зв'язку при шліфуванні, і створенням площадок на вершинах зерен круга при його правленні. У зв'язку із цим розроблено математичну модель формування площадок на ріжучих зернах круга під впливом механічного навантаження. Установлено, що на зерні утворюється площадка, нахилена під невеликим кутом до напрямку дії тангенціальної складової сили різання, а ріжуча частина зерна приймає форму, близьку до симетричної.

Експериментально встановлено, що при круглому поздовжньому шліфуванні шорсткість поверхні менша, ніж при круглому урізному шліфуванні, рис. 8. Застосування абразивного круга більш високої твердості (СТ1) у порівнянні з кругом твердістю СМ1 дозволяє зменшити шорсткість поверхні, що пов'язано з утворенням на ріжучих зернах у процесі виправлення більших площадок. Однак, даний круг досить швидко втрачає ріжучу здатність і його необхідно часто правити, що істотно підвищує трудомісткість обробки й витрати круга. Тому для здійснення операцій круглого зовнішнього шліфування валів ефективніше використовувати абразивний круг твердістю СМ1, що працює в режимі самозагострювання. Він забезпечує підвищення продуктивності обробки при виконанні вимог по точності й шорсткості оброблюваних поверхонь валів.

Обґрунтовано умови практичного використання отриманих результатів в ВАТ Харківський машинобудівний завод “Світло шахтаря” на операціях круглого зовнішнього шліфування відповідальних валів приводів шахтних конвеєрів. Показано, що застосування операції шліфування послідовними врізаннями ? з радіальною подачею уступами (при виконанні умови =0,05…1,0) замість операції круглого поздовжнього шліфування, яка застосовувалася раніше, дозволило більш ніж у два рази підвищити продуктивність обробки при гарантованому забезпеченні необхідних високих показників точності і шорсткості оброблюваних поверхонь. При цьому виключаються припіки й інші температурні дефекти, твердість оброблених поверхонь валів відповідає їхній твердості до обробки, що свідчить про незначний вплив температурного фактора. Застосування розроблених операцій круглого зовнішнього шліфування дозволило зменшити відсоток поправного браку оброблюваних валів приводів шахтних конвеєрів і на 25% знизити витрати абразивних кругів. Підвищення якості обробки валів дозволило довести ресурс роботи приводів шахтних конвеєрів до рівня світових виробників аналогічної продукції, наприклад, фірми Wolfgang preinfalk GMBX (Німеччина). Економічний ефект від впровадження в основне виробництво ВАТ Харківський машинобудівний завод “Світло шахтаря” розроблених операцій круглого зовнішнього шліфування відповідальних валів приводів шахтних конвеєрів склав 145624 гривень на рік. Розроблені операції шліфування рекомендується застосовувати як для підвищення працездатності відповідальних валів приводів шахтних конвеєрів, так і інших відповідальних валів, що працюють в умовах значних циклічних навантажень та зносу.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі на основі отриманих нових науково обгрунтованих результатів вирішена важлива і актуальна науково-практична задача створення ефективних операцій круглого зовнішнього шліфування відповідальних валів приводів шахтних конвеєрів шляхом оптимізації їхньої структури й параметрів за критерієм найменшого основного часу обробки з урахуванням обмежень по точності й шорсткості оброблюваної поверхні.

1. Розроблено новий теоретичний підхід до оптимізації структури й параметрів операцій круглого зовнішнього шліфування за критерієм найменшого основного часу обробки з урахуванням обмеження по точності розміру оброблюваної поверхні. Основу підходу становлять виявлені екстремальні залежності основного часу обробки від величин пружних переміщень, що виникають у технологічній системі, і номінальних припусків, що видаляються на кожному переході. З використанням даних залежностей визначені оптимальна кількість переходів, значення швидкостей подач і величин припусків, що знімаються, на кожному переході, що дозволило виявити, обґрунтувати й реалізувати нові технологічні можливості операцій круглого зовнішнього урізного й поздовжнього шліфування.

2. Теоретично доведено, що в оптимальній за структурою операції круглого урізного шліфування з дискретно змінюваною в часі швидкістю радіальної подачі й з дискретним характером контакту круга з оброблюваною деталлю кількість переходів дорівнює натуральному логарифму від сумарного уточнення, а зменшення швидкостей радіальної подачі й величин припусків, що знімаються, на кожному наступному переході підкоряється закону убутної геометричної прогресії зі знаменником 0,36. Установлено, що для забезпечення сумарного уточнення в межах 2,72...55 (реалізованих на практиці) оптимальна за структурою операція шліфування повинна включати 1...4 переходи. Це погодиться із практичними даними, зокрема, з відомої в технології машинобудування емпіричною залежністю для визначення кількості переходів.

3. Установлено, що закономірності знімання припуску й формування пружних переміщень у технологічній системі при круглому зовнішнім урізному шліфуванні з дискретно й безупинно змінюваною в часі швидкістю радіальної подачі математично описуються на основі єдиної розрахункової схеми. Доведено, що перехід від дискретно до безупинно зменшуваної у часі за експонентним законом швидкості радіальної подачі дозволяє до 2,72 разів зменшити основний час обробки при забезпеченні заданої точності розміру оброблюваної поверхні.

4. Теоретично доведено, що в оптимальній за структурою операції круглого урізного шліфування з дискретно змінюваною в часі швидкістю радіальної подачі й з постійним контактом круга з оброблюваною деталлю зменшення швидкостей радіальної подачі й величин припусків, що знімаються, на кожному наступному переході підкоряється закону убутної геометричної прогресії зі знаменником, обернено пропорційним сумарному уточненню в ступені, що обернено пропорційна кількості переходів. Установлено, що зі збільшенням кількості переходів мінімум основного часу обробки безупинно зменшується (до 2,72 разів), асимптотично наближаючись до значення, рівного основному часу обробки на операції шліфування з безупинно змінюваною в часі швидкістю радіальної подачі. Цим показано, що найменший основний час обробки досягається на операції круглого урізного шліфування з безупинно змінюваною в часі швидкістю радіальної подачі, потім ? у порядку збільшення основного часу обробки ? на операції шліфування з дискретно змінюваною в часі швидкістю радіальної подачі й з постійним контактом круга з оброблюваною деталлю і на операції шліфування з дискретно змінюваною в часі швидкістю радіальної подачі й з дискретним характером контакту круга з оброблюваною деталлю.

5. Теоретично обґрунтована оптимальна за структурою операція круглого поздовжнього шліфування. Доведено, що її доцільно виконувати у два переходи (чорнове шліфування й виходжування) з однаковою на кожному проході шліфувального круга, максимально досяжною на верстаті швидкістю поздовжньої подачі. При цьому перший перехід доцільно здійснювати за один прохід круга, установлюючи глибину шліфування, рівною величині припуску, що знімається. Отримане теоретичної рішення добре погодиться з експериментальними даними й практикою застосування круглого поздовжнього і плоского шліфування.

6. Проведено порівняння основного часу обробки операцій круглого урізного і поздовжнього шліфування і показано, що найбільш продуктивним є шліфування послідовними врізаннями ? з радіальною подачею уступами, що дозволяє знімання значних припусків із забезпеченням високої точності обробки.

7. На основі урахування балансу переміщень у технологічній системі розроблена математична модель визначення параметрів точності обробки на операції круглого урізного шліфування. Показано, що основною умовою підвищення точності й зниження основного часу обробки, а також реалізації на переходах чорнового шліфування й виходжування значного сумарного уточнення є зменшення постійної часу утворення пружного переміщення в технологічній системі ? узагальненого параметра, обумовленого ріжучою здатністю круга, жорсткістю технологічної системи, площею оброблюваної поверхні й швидкістю круга. Доведено, що для забезпечення максимально можливої продуктивності обробки при круглому урізному шліфуванні з урахуванням обмеження по точності розміру оброблюваної поверхні відношення величини пружного переміщення (після переходу чорнового шліфування) до величини припуску, що знімається, повинно змінюватися в межах 0,05...1,0.

8. Проведено порівняння постійної часу утворення пружного переміщення в технологічній системі при шліфуванні і точіння і доведено, що за певних умов дана величина може бути менша при точінні. Це відкриває нові можливості інтенсифікації процесу виправлення похибок обробки лезовими інструментами.

9. Проведено комплекс експериментальних досліджень параметрів операцій круглого зовнішнього шліфування відповідальних валів приводів шахтних конвеєрів, що підтвердив вірогідність отриманих теоретичних рішень. Показано, що застосування операції шліфування послідовними врізаннями ? з радіальною подачею уступами і оптимальних умов обробки замість операції круглого поздовжнього шліфування дозволило більш ніж у два рази підвищити продуктивність обробки при гарантованому забезпеченні необхідних високих показників точності й шорсткості оброблюваних поверхонь, вилучити припіки і інші температурні дефекти. При цьому твердість оброблених поверхонь валів відповідає їхній твердості до обробки. У результаті застосування розроблених операцій круглого зовнішнього шліфування зменшився відсоток поправного браку оброблюваних валів приводів шахтних конвеєрів і на 25% знизилися витрати абразивних кругів. Підвищення якості обробки валів дозволило довести ресурс роботи приводів шахтних конвеєрів до рівня світових виробників аналогічної продукції.

10. Розроблені ефективні операції круглого зовнішнього шліфування відповідальних валів приводів шахтних конвеєрів впроваджені у ВАТ Харківський машинобудівний завод “Світло шахтаря” із загальним економічним ефектом понад 145 тисяч гривень на рік.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Новиков Ф.В., Ковальчук А.Н. Условия разрушения режущих зерен алмазного круга при шлифовании // Вісник Національного технічного університету ”Харківський політехнічний інститут”. – Х.: НТУ “ХПІ”. – 2004. ? № 44. – С. 111-117.

2. Новиков Ф.В., Ковальчук А.Н. Оптимизация структуры процесса съема припуска при механической обработке // Вісник Національного технічного університету ”Харківський політехнічний інститут”. – Х.: НТУ “ХПІ”. – 2005. ? № 37. – С. 169-176.

3. Новиков Ф.В., Ковальчук А.Н. Механизм формирования площадок на вершинах режущих зерен алмазного круга при его специальной механической обработке // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства. – Х.: ХНТУСГ, 2005. – Вип. 33. – С. 16-22.

4. Ковальчук А.Н. Оптимизация структуры технологического процесса съема припуска при механической обработке // В кн.: Физико-математическая теория процессов обработки материалов и технологии машиностроения. В десяти томах. – Т.10. “Концепции развития технологии машиностроения ” – Одесса: ОНПУ, 2005. – С. 5-39.

5. Новиков Г.В., Ковальчук А.Н., Яценко С.М. Исследование структуры и параметров рабочей поверхности алмазно-абразивных инструментов // Вісник Національного технічного університету ”Харківський політехнічний інститут”. – Х.: НТУ “ХПІ”. – 2005. ? № 12. – С. 110-118.

6. Новиков Ф.В., Ковальчук А.Н. Формирование плосковершинных зерен алмазного круга для улучшения шероховатости обработки цилиндрических поверхностей твердосплавных изделий // Вісник Національного технічного університету ”Харківський політехнічний інститут”. –Х.: НТУ “ХПІ”.–2005.?№ 23.–С. 170-175.

7. Новиков Ф.В., Ковальчук А.Н. Напряженное состояние режущего зерна алмазного круга при шлифовании // Вісник Національного технічного університету ”Харківський політехнічний інститут”.–Х.: НТУ “ХПІ”.?2005.?№ 24.–С. 158-164.

8.