Забезпечення бездефектного високопродуктивного різьбошліфування ходових гвинтів на основі комп’ютерної діагностики процесу

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.992.4

ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

БЕЗДЕФЕКТНОГО ВИСОКОПРОДУКТИВНОГО РІЗЬБОШЛІФУВАННЯ ХОДОВИХ ГВИНТІВ

НА ОСНОВІ КОМП'ЮТЕРНОЇ ДІАГНОСТИКИ ПРОЦЕСУ

Спеціальність 05.02.08 - технологія машинобудування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ЛІЩЕНКО НАТАЛЯ ВОЛОДИМИРІВНА

Одеса - 2006

Дисертація є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технології машинобудування Одеського національного політехнічного університету Міністерства науки і освіти України.

Науковий керівник доктор технічних наук

Ларшин Василь Петрович, Одеській національний політехнічний університет, професор кафедри технології машинобудування

Офіційні опоненти: доктор технічних наук

Лебедєв Володимир Георгійович, Одеський національний політехнічний університет, професор кафедри технології конструкційних матеріалів і матеріалознавства

кандидат технічних наук, доцент

Вайсман Владислав Олександрович, ТОВ „МІКРОН ІН”, директор, м. Одеса Провідна установа - ДП Харківський науково-дослідний інститут технології машинобудування Міністерства промислової політики України.

Захист відбудеться 19 травня о 14 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.02 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, проспект Шевченка, 1

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

Автореферат розісланий 17 квітня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Оборський Г.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Кульково-гвинтові передачі (КГП) широко застосовуються у верстатобудуванні, авіації, атомній і військовій техніці. Висока кінематична точність, плавність ходу, малий момент тертя, високий ККД - усе це визначило високу потребу верстато- і авіабудування України і інших країн СНД у цих передачах. Найбільш відповідальною деталлю передачі є ходовий гвинт, що визначає точність і надійність КГП. При шліфуванні різьби ходових гвинтів на оброблюваній поверхні часто утворюються шліфувальні дефекти (припіки та мікротріщини), які різко погіршують експлуатаційні характеристики КГП (знижують контактну міцність і довговічність передач). У ряді випадків, наприклад на авіаційних ходових гвинтах, шліфувальні дефекти взагалі не припустимі, тому що можуть призвести до аварійної ситуації.

На відміну від операцій лезової механічної обробки різьби процес різьбошліфування є непередбаченим з погляду формування параметрів якості і точності обробки. Якщо точнісні параметри різьбової частини ходового гвинта можуть бути проконтрольовані існуючими вимірювальними засобами, то контроль якості поверхневого шару різьби є досить трудомісткою процедурою і найчастіше здійснюється візуально, руйнуючими методами контролю або взагалі не виконується. Тому застосування вбудованих систем комп'ютерної діагностики і керування для забезпечення необхідних параметрів якості поверхневого шару різьби належить до числа актуальних напрямків у технології машинобудування. Однак відсутність адекватних залежностей між режимами шліфування, з одного боку, і температурою шліфування і глибиною дефектного шару - з іншого, які враховують індивідуальні особливості елементів технологічної системи, стримує розвиток цього напрямку. Як наслідок, задача забезпечення бездефектного високопродуктивного шліфування належить до числа проблемних, тому тема даної дисертаційної роботи є актуальною в технології машинобудування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Робота виконана згідно з державними темами: № 350-27, державний реєстраційний номер 0198U002831 “Високопродуктивні методи абразивно-алмазної обробки важкооброблювальних матеріалів”, 1998-2000; № 410-27, державний реєстраційний номер 0101U001251 “Фізичні закономірності процесу обробки алмазними інструментами важкооброблювальних матеріалів”, 2001-2003.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є забезпечення високопродуктивного бездефектного шліфування різьби ходових гвинтів кульково-гвинтової передачі (КГП).

Для досягнення даної мети необхідно розв'язати такі основні задачі:

- встановити вплив симетричного і несиметричного розташування припуску на розподіл густини теплового потоку по профілю шліфувального круга;

- розробити математичну модель процесу профільного різьбошліфування, що дозволяє оцінювати фізико-механічний стан поверхневого шару;

- установити вплив нерівномірності густини теплового потоку по профілю шліфувального круга на розподіл температури шліфування по глибині поверхневого шару оброблюваної деталі;

- розробити спосіб керування процесом за критерієм бездефектного високопродуктивного шліфування;

- розробити алгоритми діагностики процесу і керування ним;

- розробити ТЗ на виготовлення апаратного і програмного інтерфейсу, виготовити і впровадити систему комп'ютерної діагностики і керування у виробництво.

Об'єкт дослідження - технологічна система різьбошліфування гвинтової профільної канавки ходового гвинта КГП.

Предмет дослідження - діагностика стану технологічної системи різьбошліфування і керування процесом.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження здійснювалися на базі наукових основ технології машинобудування, теплофізики процесів шліфування, теорії технічних систем, метрології і теорії автоматичного керування.

Експериментальні дослідження проводилися в лабораторних і заводських умовах з використанням методів планування експерименту, мікротвердості і металографічного аналізу.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Набула подальшого розвитку математична модель температурного поля при різьбошліфуванні, яка враховує кривизну оброблюваного профілю різьби.

2. Уперше встановлено теоретичний розподіл густини теплового потоку по профілю шліфувального круга для різних схем різьбошліфування (при симетричному і несиметричному розташуванні припуску по профілю різьби).

3. Уперше встановлено вплив кількості просторових координат (1D, 2D, 3D), які містяться в диференціальному рівнянні теплопровідності, на розрахункову температуру шліфування різьби напівкруглого профілю при інших однакових умовах.

4. Уперше встановлено вплив нерівномірності густини теплового потоку по профілю шліфувального круга на розподіл температури шліфування по глибині поверхневого шару оброблюваної деталі.

5. Одержав подальший розвиток метод визначення густини теплового потоку на різних ділянках профілю шліфувального круга, що полягає у визначенні відношення приросту потужності шліфування до приросту площі плями контакту на ділянці врізання.

6. Уперше запропоновано проводити корекцію математичної моделі температурного поля, засновану на визначенні моменту появи дефектного шару (момент переходу з недефектного стану в дефектний).

7. Уперше встановлено комплексний параметр, який характеризує фактичний стан технологічної системи шліфування, залежить від невизначених теплофізичних параметрів матеріалу, і який визначає температурне поле.

8. Уперше запропоновано метод контролю припіку за миттєвим відбитком плями контакту, розташованим між обробленою і необробленою поверхнями заготовки.

9. Розроблено метод визначення фактичної величини критичної температури шліфування і коефіцієнта тепловоду, що полягає в додатковому вимірі потужності різання в точці появи дефектного шару і визначенні температури при густині теплового потоку, яка обчислена за даною потужністю.

Практичне значення отриманих результатів:

- розроблено методику визначення густини теплового потоку по профілю шліфувального круга, що дозволяє враховувати нерівномірний розподіл температури шліфування по профілю різьби;

- розроблено методику комп'ютерного моделювання теплових полів, що дозволяє враховувати напівкруглу форму оброблюваного профілю різьби і розподіл густини теплового потоку по профілю шліфувального круга і визначає область раціонального застосування обраного диференціального рівняння теплопровідності;

- розроблено спосіб керування процесом шліфування, заснований на визначенні і фіксації параметрів шліфування в момент якісної зміни стану матеріалу в зоні контакту (перехід стану матеріалу з недефектного в дефектний);

- розроблено методику і програмне забезпечення на її основі, які дозволяють розраховувати розподіл припуску на проходи шліфування на етапі підготовки виробництва при визначенні оптимальних режимів шліфування;

- розроблено метрологічне забезпечення системи комп'ютерної діагностики і керування;

- розроблено апаратне і програмне забезпечення системи комп'ютерної діагностики і керування процесом;

- розроблено і виготовлено систему комп'ютерної діагностики різьбошліфування і керування цим процесом, яка може бути взята за основу для автоматизації інших процесів шліфування (плоского, круглого тощо).

Особистий внесок здобувача. Розроблено алгоритм розрахунку глибини дефектного шару при профільному різьбошліфуванні, що відрізняється визначенням глибини проникнення критичної температури безпосередньо з рівняння температурного поля (а не за спеціальною апроксимуючою залежністю). Розроблено методику комп'ютерного моделювання теплових полів, що дозволяє враховувати форму оброблюваної деталі і розподіл густини теплового потоку по профілю шліфувального круга із застосуванням стандартних пакетів прикладних програм FemLAB, MathCAD. Розроблено спосіб керування шліфуванням, що полягає у визначенні глибин різання при шліфуванні, заснований на фіксації (і наступному використанні в розрахунку) режимних параметрів, при яких утворюється шліфувальний припік. Виконано теоретичні дослідження розподілу густини теплового потоку по профілю круга при симетричному і несиметричному розташуванні припуску по профілю круга. Проведено експериментальні дослідження впливу режимів шліфування на потужність шліфування, температуру і глибину дефектного шару. Проведено експериментальну оцінку способу керування шліфуванням, що полягає у визначенні глибини шліфування при баготопрохідному видаленні припуску. Розроблено апаратне, програмне і метрологічне забезпечення системи комп'ютерної діагностики і керування.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були заслухані та обговорені на: Міжнародній конференції “Прогрессивные технологии в машиностроении (Технология - 2000)”, Одеса, 2000; IV Міжнародній конференції “Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве”, Харків, 2001; Міжнародній конференції “Научно-технические проблемы станкостроения, производство технологической оснастки и инструмента”, Одеса, 2002; Міжнародній конференції “Новые процессы и их модели в ресурсо- и энергосберегающих технологиях”, Одеса, 2003; ХI Міжнародній конференції “Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве”, Харків, 2005.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 23 наукові праці, серед них 7 статей у виданнях, затверджених “Переліком ВАК...”, і деклараційний патент України.

Структура та обсяг роботи: Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, 24 додатків. Повний обсяг дисертаційної роботи (без додатків) складає 174 сторінки, з них 14 рисунків на 9 сторінках, 77 рисунків за текстом, 20 таблиць за текстом, списку використаних джерел із 124 найменувань на 13 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РАБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, відображено наукову новизну і практичну цінність роботи, виділено особистий внесок автора.

У першому розділі “Аналіз стану питання, мета і задачі дослідження” розглянуто різні методи виготовлення різьбової поверхні ходового гвинта. Аналіз методів дозволив зробити висновок про доцільність шліфування різьби однонитковими і багатонитковими кругами на різьбошліфувальних верстатах, як ефективного методу чорнової, напівчистової і фінішної обробки профільної гвинтової канавки, що при правильно обраних режимах шліфування задовольняє вимоги, що ставляться до якості та точності обробки.

Питанням забезпечення та стабілізації якості поверхневого шару різьби присвячені роботи Р.М. Мубаракшина, Н.В. Соболєвої, Ю.П. Русавського, В.М. Мухортова та інших дослідників. Відомо велику кількість робіт, присвячених процесу профільного шліфування (А.І. Ісаєв, А.Н. Філін, І.І. Дашевський, С.М. Маленьких, В.Д. Дорофеєв та ін.). У цих роботах уперше були поставлені та разв'язані задачі, пов'язані з кількісною оцінкою теплонапруженості процесу профільного шліфування, відзначено істотний вплив на температуру шліфування форми перетину шару, що зрізується, і різальних властивостей абразивного круга. Однак у всіх цих роботах в основному пояснювалися складні теплофізичні процеси, що відбуваються у поверхневому шарі оброблюваних заготовок. Як правило, ці дослідження призначалися для їхнього використання на етапі технологічної підготовки виробництва (рекомендації щодо бездефектних режимів шліфування, геометричних параметрів переривчастих шліфувальних кругів тощо). Проведений аналіз існуючої технічної літератури показав, що дотепер не розроблено технологічні передумови для керування процесом профільного шліфування на етапі виробництва, які мають забезпечувати бездефектне високопродуктивне шліфування, що і обумовлює актуальність даної роботи.

Відомо, що необхідною умовою для забезпечення точності і якості обробки є діагностика процесу і керування ним, які виповнюються в режимі реального часу. Огляд існуючих робіт, присвячених питанню діагностики і керування профільним шліфуванням, дозволив дійти висновку, що наявні технічні рішення в цій галузі, як правило, виконані на рівні винаходів. Відсутні теоретичні та експериментальні дослідження цих рішень, немає технологічних рекомендацій з їхнього застосування в умовах виробництва, не розроблено системотехніку, яка має базуватися на застосуванні IBM-сумісних персональних комп'ютерів. За матеріалами першого розділу сформульовано задачі дослідження.

У другому розділі “Дослідження впливу температурного поля в зоні шліфування на якість поверхневого шару різьби” наведено теоретичні дослідження, пов'язані з розробкою математичної моделі процесу профільного шліфування, та алгоритми технологічної діагностики за критерієм бездефектного високопродуктивного шліфування.

Для обґрунтування вибору адекватної моделі, що дозволяє керувати процесом різьбошліфування, проведено порівняльний аналіз температурних полів при 2D і 3D-моделюванні з постійною і змінною густиною теплового потоку по профілю шліфувального круга (рис.1). Аналіз виконувався з використанням відомих програмних продуктів FemLAB, MathCAD при таких вихідних даних: радіус профілю шліфувального круга =3 мм, час дії теплового джерела =0,145 с, глибина різання =0,744 мм, частота обертання заготовки =10 об/хв.

З рис. 1 видно, що зазначені математичні моделі для даних умов шліфування приблизно однаково прогнозують температурне поле при шліфуванні.

Рис. 1. Розподіл температури шліфування по глибині поверхневого шару: 1, 2 - по 2D і 3D моделям відповідно

Звідси виходить, що для керування процесом можна використовувати двовимірне диференціальне рівняння теплопровідності, яке при постійній густині теплового потоку по профілю круга переходить в одновимірне, що у циліндричних координатах має вигляд

, (1)

де - температура шліфування, 0С; - коефіцієнт температуропровідності, м2/с; - поточний радіус-вектор розглянутої точки, м.

Крайові умови (початкові і граничні):

= ; , = ; = ; = 0, (2)

де - початкова температура заготовки, оС; - густина теплового потоку, Вт/м2; - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м • оС).

Рішення рівняння (1) за Карслоу Г.С. та Єгером Д.К. має такий вигляд:

,(3)

де - поточний радіус-вектор розглянутої точки, м; - відстань від поверхні контакту до розглянутої точки, м; - функції Бесселя першого роду нульового і першого порядку; - функції Бесселя другого роду нульового і першого порядку; - змінна інтегрування; - коефіцієнт температуропровідності, м2/с.

Для одержання рівняння, що працює в обмеженому інтервалі дії теплового джерела (), використано метод суперпозиції, який полягає в підсумовуванні температурних полів від двох теплових джерел, що мають протилежні за знаком густини теплового потоку, тобто при

. (4)

Тут температури шліфування і визначаються за рівнянням (3).

Діагностика технологічної системи і керування процесом мають здійснюватися в режимі реального часу, тому необхідно врахування фактичних параметрів функціонуючої технологічної системи шліфування. Розроблено спосіб керування процесом шліфування, що полягає у визначенні глибин різання при шліфуванні і заснований на визначенні та фіксації параметрів шліфування в характерній “точці”, яка характеризує стан технологічної системи. Такою “точкою” є точка переходу стану поверхневого шару з недефектного в дефектний. У точці появи шліфувального припіку визначають частку теплової енергії шліфування, що переходить у заготовку

, (5)

де - коефіцієнт тепловоду (частка теплової енергії, що надходить у заготовку); - питома робота шліфування, Дж/мм3; - обмірювана швидкість заготовки, мм/с; - обмірювана (або обчислена) нормальна глибина шліфування, мм; - довжина дуги контакту в напрямку вектора швидкості заготовки, мм; - еквівалентний діаметр, що визначає довжину дуги контакту круга діаметром і заготовки діаметром , мм; - обмірювана вертикальна глибина шліфування, мм; - коефіцієнт форми, що визначається з умови наступності рівнянь, що описують виділення тепла від плоского джерела та від циліндричного джерела (радіус профілю ).

Коефіцієнт форми знаходять як відношення температури поверхні від циліндричного джерела до температури поверхні від плоского джерела тепла , тобто

(6)

Видно, що коефіцієнт якоюсь мірою залежить і від часу впливу теплового джерела , тобто . Величини і вимірюються за допомогою відповідних датчиків у точці появи дефектного шару, а величина однозначно залежить від .

Аналіз виразу (5) показує, що невизначені параметри процесу і входять у цей вираз у конкретному сполученні

. (7)

Таким чином, при відомих глибинах різання , і швидкості заготовки у точці появи дефектного шару можна обчислити фактичну питому енергію (), що надходить у заготовку при шліфуванні за формулою (5), а потім використати обчислене значення при знаходженні поточного значення густини теплового потоку

, (8)

де - поточне значення довжини дуги контакту в напрямку вектора швидкості заготовки, мм;

, - поточне значення вертикальної і нормальної глибин шліфування, мм;

- поточна швидкість заготовки, мм/с.

Вираз (8) використовується в рівняннях (3) і (4). Час впливу теплового джерела обчислюють за формулою

. (9)

Якщо відомо (за даними налагоджувального проходу), то поточну температуру шліфування можна знайти на підставі формули

(10)

Збільшуючи глибину шліфування з певним кроком визначають глибину дефектного шару за рівнянням

.(11)

Одержану глибину дефектного шару порівнюють із припуском, що залишився. Збільшення глибини шліфування здійснюють доти, поки дефектний шар не стане дорівнювати припуску, що залишився (або частині його). Одержане значення глибини шліфування фіксують. Аналогічно знаходять розподіл припуску на інші проходи шліфування з урахуванням зменшення припуску, що залишився, на суму раніше одержаних глибин різання (деклараційний патент України № 12572).

Для визначення області дії математичної моделі (3) розроблено спосіб розрахунку густини теплового потоку по профілю, заснований на залежності

(12)

На підставі схеми формування різьбової канавки (рис. 2) густина теплового потоку характеризується нормальною та вертикальною глибинами шліфування, які в кожній точці робочого профілю круга будуть різними. Розроблено методику для визначення густини теплового потоку залежно від перетину шару матеріалу, що зрізується (рис. 2). Наприклад, для першого проходу різьбошліфування миттєва густина теплового потоку визначається так:

, (13)

де - величина поперечної подачі на першому проході, мм; - кут, що визначає положення розглянутої точки на профілі круга і змінюється в інтервалі .

Для побудови розподілу густини теплового потоку по профілю (рис. 3) за формулами типу (13) здійснювали розрахунок за допомогою прикладної комп'ютерної програми MathCAD.

З аналізу графіків на рис. 3 видно, що густина теплового потоку для першого проходу в цілому більше ніж величина однойменного параметра для наступних проходів, а також видно, що на ділянці, що охоплює 90% профілю, густину теплового потоку можна прийняти відносно постійною та такою, що дорівнює середньому її значенню. Доведення даного припущення здійснено за допомогою комп'ютерного моделювання в програмі FemLAB.

Розраховано густину теплового потоку для симетричного розташування припуску по профілю при формуванні різьби по цілому і для попередньо сформованої канавки. У роботі є відповідні розрахунки та результати для несиметричного розташування припуску.

Блок-схема системи комп'ютерної діагностики і керування, що реалізує теоретичні розробки, подана на рис. 4 (1, 2, 3, 4 - обчислювальні блоки припуску, що залишився, питомої роботи шліфування і (або) густини теплового потоку, температури шліфування і глибини дефектного шару, площі плями контакту і (або) інтенсивності шліфування відповідно; ДПП - датчик поперечної подачі; ДП - датчик потужності; ДШД - датчик швидкості деталі. Вихідними параметрами із системи є такі: глибина шліфування на проходи (знаходиться з умови високопродуктивного бездефектного шліфування) і температура шліфування, що є інформацією для діагностики процесу.

У третьому розділі “Експериментальне дослідження якості поверхневого шару” наводяться результати експериментального визначення густини теплового потоку на різних ділянках профілю шліфувального круга (рис. 5). На рис. 5 позначено: - напівширина перетину зрізу; - радіус профілю шліфувального круга; - глибина шліфування; - координати досліджуваних (дискретних) ділянок (ділянки 1-5) профілю.

Густину теплового потоку на - й ділянці профілю круга, що працює на -му проході обчислювали шляхом знаходження відношення приросту обмірюваної потужності шліфування до приросту обчисленої площі плями контакту , причому величина у процесі врізання круга в заготовку змінюється на кожному -му проході від 0 до (для десяти досліджуваних ділянок профілю).

Для визначення площі контакту розглянуто схеми шліфування різьби напівкруглого профілю на різних проходах: першому, другому і наступних. На рис. 6 видно, що найбільш навантаженою стороною профілю є та, котра перша починає працювати (сторона профілю, що складається з ділянок 1-5 на рис. 5). Крім того, густина теплового потоку на першому проході різьбошліфування (пунктирна крива на рис. 6) у цілому вище, ніж на інших, що підтверджує теоретичне дослідження.

Слід зазначити, що варіантів розбивання профілю на ділянки може бути декілька, наприклад, можна визначити середню величину густини теплового потоку роздільно по лівому та правому профілях шліфувального круга, тобто

,. (14, 15)

Наприклад, для прийнятих вище вихідних даних розрахунок за формулами (14) і (15) дозволив одержати результати, які наведені в таблиці.

Таблиця 1.

Номер проходу,	1	2	3	4
, Вт/ мм2	33,50	33,94	33,25	28,86
, Вт/ мм2	51,48	41,94	37,76	31,72
, Вт/ мм2	42,49	37,94	35,51	30,29

Видно, що на одній з ділянок профілю (лівій) густина теплового потоку вище, ніж на іншій ділянці (правій). Причому зі збільшенням номера проходу ця розбіжність зменшується.

Для встановлення взаємозв'язку параметрів, що характеризують теплонапруженість шліфування (, , ), з фактичною якістю поверхневого шару робили експериментальну оцінку мікротвердості по глибині поверхневого шару для різних проходів різьбошліфування. Для цього були приготовлені мікрошліфи на зразках, вирізаних з обробленої заготовки (на різних її ділянках, що відповідають різним проходам шліфувального круга). Мікрошліфи досліджувалися на приладі ПМТ-3. Оцінка властивостей поверхневого шару, здійснена руйнуючим методом мікротвердості, показала, що розподіл мікротвердості по правій і лівій ділянках профілю різний. При цьому трудомісткість описаного неруйнуючого методу оцінки теплонапруженості в багато разів менше ніж трудомісткість руйнуючого методу оцінки мікротвердості по глибині поверхневого шару.

Відомо, що інформація про густину теплового потоку дозволяє прогнозувати розподіл температури шліфування по профілю шліфувального круга. Тому розглянутий метод визначення густини теплового потоку може бути використаний при розробці системи комп'ютерної діагностики і керування.

Дослідження впливу режимів шліфування на потужність шліфування, яке виконане методом повного факторного експерименту, дозволило встановити формулу для визначення глибини дефектного шару залежно від режимів шліфування та виконати дослідження цього рівняння. Для експериментальної перевірки адекватності математичної моделі, що дозволяє прогнозувати параметри якості поверхневого шару, проводили моделюючий експеримент на плоскошліфовальному верстаті моделі 3Г71 при обробці трьох зразків із загартованої легованої сталі ШХ15 (=42 Вт/м·0С; =8,4·10-6 м2/с; =550 0С) при таких режимах шліфування: швидкість деталі =4,47 м/хв (0,0745 м/с); поперечна подача =8 мм; глибина різання при обробці трьох зразків відповідно становила 0,030 мм; 0,045 мм; 0,060 мм. Встановлена в другому розділі властивість наступності моделей температурного поля для плоского і профільного шліфування дозволила виконати фізичне моделювання окремих властивостей різьбошліфування на плоских зразках (на плоскошліфувальному верстаті). Аналіз результатів експерименту показує, що математична модель адекватна дослідним даним.

Для апробування способу керування шліфуванням проводили експеримент на різьбошліфувальному верстаті 5822М. Визначена критична температура шліфування =882 0С, розподіл припуску на проходи: м; м і глибина дефектного шару =0,71 мм, =0 при круговій подачі =2 об/хв. Оцінку глибини дефектного шару робили методом мікротвердості. Аналіз результатів експерименту показує, що вони відповідають розрахунковим даним.

У четвертому розділі “Розробка системи комп'ютерної діагностики і керування (СКДК)” на підставі результатів, отриманих у попередніх розділах роботи, формулюються вимоги до системи комп'ютерної діагностики і керування та розробляється ТЗ на її виготовлення. Крім того, додатково досліджуються питання метрологічного забезпечення цієї системи та первинних вимірювальних перетворювачів, що входять у її состав. Зокрема відзначається, що відповідно до впровадження на виробництві нових інформаційних CALS - технологій, найбільшою складністю по збору інформації відрізняється етап виробництва, тому запропоновано розроблювальну систему діагностики і керування виконувати на основі системи збору даних, що нині виготовляють на основі IBM - сумісних персональних комп'ютерів, а також на основі спеціальних одноплатних або однокристальних мікроконтролерів.

Запропоновано таку концепцію побудови системи діагностики і керування для процесів шліфування: кожний технологічний прохід операції характеризує певний стан технологічної системи, тобто скільки технологічних проходів, стільки і станів технологічної системи. Кожний із зазначених станів характеризується своїми технологічними показниками або тим самим показником, величина якого нормується індивідуально для кожного стану технологічної системи. Наприклад, таким технологічним показником запропоновано вибрати температуру шліфування, яку визначають за розробленою у дисертації математичною моделлю. На попередніх проходах різьбошліфування припустима величина температури може бути вище, ніж на інші (завершальних) переходах, тому що на попередніх переходах припуск, що залишився на обробку, більше, ніж на завершальних переходах шліфування. У цьому розумінні можна говорити про двовимірний підхід до діагностики: одна міра - це стан технологічної системи, обумовлений місцем технологічного проходу в операції; друга міра - це регламентовані норми на технологічні показники якості поверхневого шару, наприклад, норми на температуру шліфування і глибину проникнення критичної температури.

Запропоновано наступні технічні рішення, які застосовуються при розробці математичного забезпечення системи комп'ютерної діагностики і керування. 1. Основою системи діагностики і керування є математична модель процесу шліфування. Запропоновано коректувати рівняння математичної моделі при роботі системи. 2. Температуру шліфування і її розподіл по глибині поверхневого шару визначають із урахуванням впливу радіуса профілю різьби.

Система комп'ютерної діагностики і керування побудована за модульним принципом. У підсистемі збору даних, створеній на основі системи діагностики і керування, у процесі роботи верстата формується база технологічних даних (БД), що характеризує технологічний процес різьбошліфування всіх оброблених гвинтів (і всіх проходів обробки цих гвинтів). Ця БД безперервно поповнюється і користувач у будь-який момент часу має можливість довідатися про її поточний стан (наприклад, скільки гвинтів оброблено на даний момент часу). Ця база даних повинна мати керування від відповідної системи керування (СУБД), наприклад, від СУБД типу БД - адміністратор або MS ACCESS. Користувач може одержати інформацію із цієї БД за будь-якою ознакою, що характеризує технологічну систему. Наприклад, він може одержати дані, що характеризують обробку на 3-му проході 5-го гвинта або дані щодо обробки в зазначений день і інтервал часу доби, або вибрати із цієї БД дані, які характеризуються підвищеною температурою з докладним описом цих даних. Аналіз БД дозволяє контролювати стан технологічної системи і приймати відповідні рішення для впливу на неї.

Наприклад, при обробці заготовки ходового гвинта за чотири проходи, зафіксовані режими шліфування, наприклад на першому проході: потужність Р=249,67 Вт, частота обертання заготовки n=6,13 об/хв, глибина шліфування t = 0,68 мм (рис. 8).

Розроблено алгоритми функціонування системи комп'ютерної діагностики і керування (СКДК). Перший алгоритм роботи СКДК реалізує режим збору технологічних даних, що характеризують технологічну систему різьбошліфування в процесі обробки заготовок гвинтів (включаючи всі проходи обробки цих заготовок). Другий алгоритм роботи СКДК реалізує режим діагностики процесу, що полягає в перевірці умови утворення дефектного шару (перевищення температурою шліфування її критичного значення) з періодичною корекцією значення критичної температури в точці появи шліфувального припіку. Третій алгоритм роботи СКДК реалізує режим “оцінка - рекомендація”, тобто оцінка стану технологічної системи шліфування і рекомендація у вигляді виводу необхідних глибин різання на кожному проході шліфування. Після установки робітником (або системою ЧПК верстата) глибини різання на перший прохід система (СКДК), по-перше, оцінює відповідність цієї глибини необхідному стану поверхневого шару різьби і, по-друге, підготовляє значення глибини різання на наступний прохід, після того, як попередній прохід буде закінчений. Четвертий алгоритм роботи СКДК дозволяє визначати глибину різання при шліфуванні відповідно до розробленого способу (Деклараційний патент України № 12572). Створено програмні версії цього алгоритму для різьбошліфування, плоского і круглого шліфування на етапі підготовки виробництва. Відмінною рисою алгоритму роботи системи є експериментальне визначення точки утворення шліфувального дефекту з фіксацією в цій точці режимних параметрів і обчислення в цей момент питомої теплової енергії, що переходить у заготовку. Всі алгоритми роботи системи інтегровані із системою збору даних. Зазначені алгоритми (у вигляді програмного забезпечення) і система комп'ютерної діагностики і керування впроваджені на кількох машинобудівних підприємствах України та Росії.

Рис. 2. Вікно бази даних

ВИСНОВКИ

У результаті аналізу теплових явищ у поверхневому шарі матеріалу, що шліфується, підтверджено, що для опису температурного поля у поверхневому шарі при шліфуванні напівкруглого профілю може бути використано одновимірне диференціальне рівняння теплопровідності.

Запропоновано спосіб керування процесом шліфування, при якому здійснюють корекцію математичної моделі температурного поля в точці появи дефектного шару і за скоректованим рівнянням визначають глибину різання при шліфуванні виходячи з умов бездефектної високопродуктивної обробки. Спосіб інваріантний стосовно значення критичної температури і дозволяє визначити оптимальну глибину шліфування для кожного проходу шліфування виходячи з умови бездефектної високопродуктивної обробки.

Розроблено метод визначення критичної температури і коефіцієнта тепловоду, що полягає в додатковому вимірі потужності різання в точці появи дефектного шару і визначенні температури при густині теплового потоку, обчисленої за даною потужністю.

Уперше встановлено комплекс , де - температура структурно-фазових перетворень, 0С; , - коефіцієнти тепло- і температуропровідності, Вт/(м• 0С) і м2/с відповідно; - множник, що враховує вплив геометричної форми оброблюваної поверхні. Комплекс визначають при роботі системи діагностики і використовують для діагностики технологічної системи різьбошліфування.

Розроблено методику визначення густини теплового потоку по профілю круга в різних його точках, відповідно до якої потужність теплового джерела визначається миттєвим значенням нормальної глибини шліфування, а час його впливу - миттєвим значенням вертикальної глибини шліфування. Методика дозволяє оцінювати розподіл теплонапруженості по профілю шліфувального круга і виявляти найнебезпечніші точки перетину шару, що зрізується, як при симетричному, так і при несиметричному розташуванні припуску по профілю.

Досліджено спосіб експериментального визначення густини теплового потоку, що полягає в обчисленні відношення приросту потужності шліфування до приросту площі плями контакту. Установлено, що зі збільшенням кількості ділянок зростає похибка визначення густини теплового потоку. Найменша похибка від дискретизації має місце при =2.

Сформульовано концепцію технологічної діагностики, відповідно до якої система діагностики і керування виконується на основі системи збору даних про процес. Запропоновано двовимірну структуру даних: одна міра - номер технологічного проходу і параметри стану, що його характеризують; інша - показники, що характеризують стан процесу: температура шліфування і глибина дефектного шару.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

різьбошліфування профільний шар поверхневий

1. Ларшин В.П., Лищенко В.П. Управление резьбошлифованием ходовых винтов на основе диагностики процесса // Тр. Одес. политехн. ун-та. - Одесса, 2000. - Вып.1(10). - С. 57-60.

Здобувачем виконано моделюючий експеримент для встановлення залежності глибини дефектного шару від режимів шліфування.

2. Ларшин В.П., Лищенко Н.В. Теоретические предпосылки к разработке системы компьютерной диагностики процесса шлифования резьбы с полукруглым профилем // Вісник Харківського державного технічного ун-ту сільського господарства. - Харків: ХДТУСГ, 2003. - Вип.18. - С. 33-38.

Здобувачем виконано аналіз різних моделей температурного поля, які можуть бути використані для комп'ютерної діагностики процесу різьбошліфування.

3. Ларшин В.П., Лищенко Н.В. Теоретическое исследование теплонапряженности профильного шлифования // Вісник Харківського держ. техн. ун-ту сільського господарства. - Харків: ЧП Червяк, 2004. - С. 50-55.

Здобувачем отримано теоретичний розподіл густини теплового потоку по профілю шліфувального круга.

4. Ларшин В.П., Лищенко Н.В. Технологические предпосылки для диагностики резьбошлифования шариковых ходовых винтов // Вісник Харківського держ. техн. ун-ту сільського господарства. - Харків: ЧП Червяк, 2004. - С. 56-60.

Здобувачем отримано залежність глибини дефектного шару від глибини шліфування при різній критичній температурі.

5. Ларшин В.П., Лищенко Н.В. Расчет температуры и глубины дефектного слоя при резьбошлифовании // Тр. Одес. политехн. ун-та. - Одесса, 2005. - Вып.2(24). - С. 64-68.

Здобувачем отримано залежність температури від часу дії теплового джерела при різній відстані до розглядаємої точки.

6. Деклараційний патент України на корисну модель № 12572. Спосіб визначення глибини різання при шліфуванні. В.П.Ларшин, Н.В.Ліщенко, О.В.Якимов, А.В.Ларшина.

7. Ларшин В.П., Лищенко В.П. Особенности разработки технологических процессов для условий малолюдного и безлюдного производства // Авиационно-космическая техника и технология. Труды Госуд. аэрокосмич. ун-та “ХАИ”. Вып.14. - Харьков: Гос.аэрокосм. ун-т им. Н.Е.Жуковского “ХАИ”, 2000. - C. 21-25.

Здобувачем проведено аналіз технічної літератури по гнучким та інтегрованим виробничим системам.

8.Ларшин В.П., Лищенко Н.В. Бездефектное резьбошлифование ходовых винтов на основе диагностики процесса // Авиационно-космическая техника и технология. Труды Госуд. аэрокосмич. ун-та “ХАИ”. Вып.14. - Харьков: Гос.аэрокосм. ун-т им. Н.Е.Жуковского “ХАИ”, 2000. - C. 119-123.

Здобувачем встановлено вплив коефіцієнту тепловоду на глибину дефектного шару, який утворюється при шліфуванні.

9.Ларшин В.П., Лищенко Н.В. Диагностика процесса резьбошлифования по температурному критерию // Теплофизика технологических процессов: Тез. докл. Х Всероссийской конф. - Рыбинск: РГТА, 2000. - C. 51-52.

Здобувачем розроблено функціональну схему системи діагностики.

10. Ларшин В.П., Лищенко Н.В. Диагностика процесса резьбошлифования по температурному критерию // Прогрессивные технологии в машиностроении. (Технология-2000): Тез.докл.конф.- Киев: АТМ Украины, 2000. - С. 136-137.

Здобувачем виконано дослідження способу діагностики різьбошліфування.

11. Ларшин В.П., Лищенко Н.В. Разработка математического обеспечения для системы компьютерной диагностики процесса резьбошлифования // Збірник наукових праць Кіровогр. техн. ун-ту. - Кіровоград, 2003. - Вип.12. - С. 113-119.

Здобувачем розроблено математичну модель процесу різьбошліфування і виконано досліджування радіусу кривизни профілю на температуру шліфування.

12. Ларшин В.П., Лищенко Н.В. Разработка математического обеспечения для системы компьютерной диагностики процесса резьбошлифования // Машинобудування та металообробка -2003. - Тези доповідей Першої Міжнародн. наук.-техн. конф. - Кіровоград: КДТУ, 2003. -С. 138-140.

Здобувачем розроблено математична модель процесу різьбошліфування і виконано досліджування радіусу кривизни профілю на температуру шліфування.

13. Ларшин В.П., Лищенко Н.В., Якимов А.В. Исследование плотности теплового потока в зоне контакта при профильном шлифовании // Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве: Тр. 7-й Междунар. научн.-техн. конф. - Харьков: ХНПК “ФЭД”, 2003. - С. 38-42.

Здобувачем одержано розподіл густини теплового потоку по ділянкам шару, що зрізується, на різних проходах шліфування.

14. Ларшин В.П., Лищенко Н.В. Определение погрешности эксперимента в технологии машино- и приборостроения // Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве: Тр. 7-й Междунар. научн.-техн. конф. - Харьков: ХНПК “ФЭД”, 2003. - С. 87-90.

Здобувачем апробована методика метрологічної обробки експериментальних даних для визначення похибки експерименту.

15. Ларшин В.П., Лищенко Н.В. Адаптивная система управления резьбошлифованием на основе диагностики процесса // Новые процессы и их модели в ресурсо- и энергосберегающих технологиях: Мат. Междунар. научн.-техн. конф. - Киев: АТМ Украины, 2003. - С. 67-70.

Здобувачем виконано оцінка властивостей поверхневого шару різьби методом мікротвердості.

16. Ларшин В.П., Лищенко Н.В. Диагностика технологической системы резьбошлифования шариковых ходовых винтов // Машиностроение и техносфера XXI века: Сб. трудов Х Междунар. научн.-техн. конф., Том 2. - Донецк: Изд. “Технополис”, 2003. - С. 156-160.

Здобувачем обгрунтовано метод забезпечення інваріантності глибини дефектного шару по відношенню до температури шліфування.

17. Ларшин В.П., Лищенко Н.В. Теоретическое исследование плотности теплового потока при профильном шлифовании // Физические и компьютерные технологии в народном хоз-ве: Тр.8-й Междунар. научн.-техн. конф. - Харьков: ХНПК “ФЭД”, 2003. - С. 25-28.

Здобувачем отримано розрахункові формули густини теплового потоку по профілю шліфувального круга.

18. Ларшин В.П., Лищенко Н.В. Применение системотехники IBM PC для технологической диагностики процесса резьбошлифования // Физические и компьютерные технологии в нар. хоз-ве: Тр.8-й Междунар. научн.-техн. конф. - Харьков: ХНПК “ФЭД”, 2003. - С. 45-47.

Здобувачем обгрунтовано застосування системи технологічної діагностики процесу різьбошліфування.

19. Ларшин В.П., Лищенко Н.В. Прогнозирование температурного поля при резьбошлифовании // Физические и компьютерные технологии в нар. хоз-ве: Тр.9-й Междунар. научн.-техн. конф. - Харьков: ХНПК “ФЭД”, 2004. - С. 19-21.

Здобувачем обгрунтовано використання одновимірного рівняння теплопровідності при різьбошліфуванні.

20. Ларшин В.П., Лищенко Н.В. Управление качеством поверхностного слоя при резьбошлифовании // Новые и нетрадиц. технологии в ресурсо- и энергосбережении: Мат.научн.-техн.конф. - К.: АТМ Украины, 2004. - С. 108-111.

Здобувачем обгрунтовано спосіб керування якістю поверхневого шару при різьбошліфуванні.

21. Ларшин В.П., Лищенко Н.В. Диагностика резьбошлифования ходовых винтов в системе управления качеством продукции // Физические и компьютерные технологии в нар. хоз-ве: Тр.10-й Междунар. научн.-техн. конф. - Харьков: ХНПК “ФЭД”, 2004. - С. 25-30.

Здобувачем розроблено блок-схема системи діагностики та алгоритм її функціонування.

22. Ларшин В.П., Лищенко Н.В. Расчет температуры и глубины дефектного слоя при резьбошлифовании // Физические и компьютерные технологии в нар. хоз-ве: Тр.11-й Междунар. научн.-техн. конф. - Харьков: ХНПК “ФЭД”, 2005. - С.10-16.

Здобувачем запропоновано методику розрахунку температури шліфування і глибини дефектного шару за допомогою стандартного математичного пакету.

23. Ларшин В.П., Лищенко Н.В. Компьютерное моделирование технологической системы резьбошлифования // Физические и компьютерные технологии в нар. хоз-ве: Тр.11-й Междунар. научн.-техн. конф. - Харьков: ХНПК “ФЭД”, 2005. - С. 17-20.

Здобувачем розроблено тривимірна геометрична модель технологічної системи різьбошліфування для розрахунку площі плями контакту.

24. Ларшин В.П., Лищенко Н.В. Компьютерная диагностика многониточного резьбошлифования ходовых винтов // Физические и компьютерные технологии в нар. хоз-ве: Тр.11-й Междунар. научн.-техн. конф. - Харьков: ХНПК “ФЭД”, 2005. - С. 20-24.

Здобувачем виконано порівняльний аналіз результатів розрахунку площі плями контакту по дво- і тривимірної геометричним моделям перетину шару, що зрізується.

 Ліщенко Н.В. Забезпечення бездефектного високопродуктивного різьбошліфування ходових гвинтів на основі комп'ютерної діагностики процесу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.02.08 - технологія машинобудування. - Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2006.

Дисертація присвячена розробці методів забезпечення високопродуктивного бездефектного шліфування різьби гвинтових поверхонь ходових гвинтів кульково-гвинтової передачі за рахунок використання системи комп'ютерної діагностики процесу і керування ним.

Здобувачем обґрунтовано застосування одновимірного диференціального рівняння теплопровідності для операції чорнового різьбошліфування шляхом аналізу впливу кількості просторових координат (1D, 2D, 3D), що містяться в диференціальному рівнянні теплопровідності, на температуру шліфування різьби напівкруглого профілю. Теоретично і експериментально досліджено густину теплового потоку по профілю шліфувального круга. Для діагностики технологічної системи і керування процесом запропоновано проводити корекцію математичної моделі температурного поля, яка заснована на визначенні „точки” появи дефектного шару (момент переходу оброблюваного матеріалу з недефектного стану в дефектний). Розроблено спосіб керування процесом для забезпечення бездефектного високопродуктивного шліфування різьби в режимах off-line і on-line. Розроблено алгоритми функціонування системи комп'ютерної діагностики і керування, а також апаратний і програмний інтерфейси цієї системи. Результати роботи впроваджені на машинобудівних підприємствах.

Ключові слова: ходовий гвинт кульково- гвинтової передачі, математична модель температурного поля, діагностика різьбошліфування, керування процесом за критерієм бездефектного високопродуктивного шліфування, корекція рівняння математичної моделі, система комп'ютерної діагностики і керування.

Лищенко Н.В. Обеспечение бездефектного высокопроизводительного резьбошлифования ходовых винтов на основе компьютерной диагностики процесса. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 - технология машиностроения. - Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2006.

Диссертация посвящена разработке методов обеспечения высокопроизводительного бездефектного шлифования резьбы винтовых поверхностей ходовых винтов шарико-винтовой передачи за счёт использования системы компьютерной диагностики процесса.

Проведенный анализ существующей технической литературы показал что, отсутствуют теоретические и экспериментальные исследования по вопросу диагностики профильного шлифования, нет технологических рекомендаций по применению имеющихся технических решений в условиях производства, не разработана системотехника, базирующаяся на применении IBM-совместимых персональных компьютеров. Выявлено отсутствие достоверной математической модели процесса шлифования, учитывающей параметры качества поверхностного слоя, которая позволяла бы управлять процессом профильного шлифования на этапе производства, а также диагностировать технологическую систему шлифования по критерию бездефектного высокопроизводительного шлифования.

В качестве моделируемых свойств процесса при управлении качеством поверхностного слоя приняты температура шлифования и её распределение по глубине поверхностного слоя. Обосновано применение одномерного дифференциального уравнения теплопроводности, описывающего распределение температуры по глубине поверхностного слоя и учитывающего форму обрабатываемого профиля.

Установлено, что при диагностике и управлении в режиме реального времени необходимо использовать коррекцию уравнения математической модели, позволяющую “привязывать” это уравнение к реальным условиям обработки. Выделены параметры процесса, отличающиеся наибольшей степенью неопределенности: коэффициенты тепло- и температуропроводности, критическая температура и параметр, учитывающий форму обрабатываемой поверхности. Установлен единый комплексный параметр, связывающий все указанные выше неопределённые параметры. Разработана методика коррекции уравнения математической модели процесса, которая заключается в определении и фиксации параметров шлифования в момент перехода состояния поверхностного слоя из недефектного в дефектное.

На основе геометрического описания схем формообразования профиля канавки резьбы построено распределение плотности теплового потока по профилю круга при симметричном и несимметричном расположении припуска.

Разработан и экспериментально исследован способ определения плотности теплового потока, заключающийся в вычислении отношения приращения мощности шлифования к приращению площади пятна контакта.

Разработаны алгоритмы функционирования системы компьютерной диагностики и управления, её структура на основе системотехники IBM- совместимых персональных компьютеров, техническое задание на изготовление этой системы, а также аппаратный и программный интерфейсы системы.

Ключевые слова: ходовой винт шарико-винтовой передачи, математическая модель температурного поля, диагностика резьбошлифования, управление процессом по критерию бездефектного высокопроизводительного шлифования, коррекция уравнения математической модели, система компьютерной диагностики и управления.

Lishchenko N.V. High productive defectless lead screw thread grinding insuring on the basis of process computer diagnostics. - Manuscript.

Thesis on cosearching for a scientific degree of candidate of technical sciences on professions 05.02.08 - technology of machine building. - Odessa National Polytechnic University, Odessa, 2006.

The thesis is devoted to the development of insuring methods of lead screw helical surface of ball screws high productive defectless thread grinding process computer diagnostics and control system. Application of heat conductivity 1D differential equation for rough thread grinding by the aid of influence analysis of space coordinates number on the semiround profile thread grinding temperature is grounded. Thermal flow density on the grinding wheel theoretically and experimentally is studied. It is proposed to correct a temperature field mathematical model for technological system diagnostics and control of the process. The correction is performed at the defect arise moment. Process control method is working out to determined defectless high productive thread grinding for off-line and on-line mode. Functioning algorithms as well as hardware and software of the system are created. Work results are introducted into machine manufacturing industry.

Key words: lead screw of ball screws, temperature field mathematical model, thread grinding diagnostics, process control according to productive defectless grinding, the correction of mathematical model equation, computer diagnostics and control system.

Размещено на Allbest.ru

...