Забезпечення параметрів точності та шорсткості формоутворюючих поверхонь валків сортового прокату при обробці на верстатах с ЧПУ

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ТОЧНОСТІ ТА ШОРСТКОСТІ ФОРМОУТВОРЮЮЧИХ ПОВЕРХОНЬ ВАЛКІВ СОРТОВОГО ПРОКАТУ ПРИ ОБРОБЦІ НА ВЕРСТАТАХ З ЧПУ

Спеціальність 05.02.08 - Технологія машинобудування

Лещенко Олександр Іванович

Маріуполь 2011

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі «Технології машинобудування» Державного вищого навчального закладу «Приазовський державний технічний університет» Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, Заслужений діяч науки і техніки України Проволоцький Олександр Євдокимович, ДВНЗ «Національна металургійна академія України», м. Дніпропетровськ, завідувач кафедри «Технологія машинобудування».

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Гусєв Володимир Владиленович, ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», м. Донецьк, завідувач кафедри «Металорізальні верстати та інструменти».

кандидат технічних наук, доцент Таіров Володимир Петрович, ДВНЗ «Приазовський державний технічний університет» м. Маріуполь, доцент кафедри «Металорізальні верстати та інструменти».

Захист відбудеться «20» квітня 2011 р. о 11⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К12.052.03 в Державному вищому навчальному закладі «Приазовський державний технічний університет» за адресою: 87500, м. Маріуполь, вул. Університетська, 7.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ДВНЗ «Приазовський державний технічний університет» за адресою: м. Маріуполь, вул. Апатова, 115.

Автореферат розіслано «16» березня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради К12.052.03, кандидат технічних наук, доцент Ю. В. Гусєв

АНОТАЦІЇ

Лещенко О.I. Забезпечення параметрів точності та шорсткості формоутворюючих поверхонь валків сортового прокату при обробці на верстатах с ЧПУ. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.02.08 - Технологія машинобудування. - ДВНЗ «Приазовський державний технічний університет», - м. Маріуполь, 2011.

У дисертаційній роботі пропонується вирішення важливого науково-технічного завдання - забезпечення необхідної точності й висоти мікронерівностей формоутворювальних поверхонь валків сортового прокату при обробці на вальцетокарних верстатах з ЧПУ різцями з пластинами круглої форми.

У роботі вихідну точність складно-профільної поверхні визначають параметри замикаючої ланки в структурі розмірного ланцюга формоутворювальної системи, для якої, залежно від характеру досліджуваного процесу, відхилення від номінального значення кожної з ланок мають стохастичну або детерміновану природу. З метою внесення корекцій до траєкторії переміщення інструменту досліджений вплив на точність обробки пружних деформацій технологічної системи в напрями дії вектору сили різання, а також вектору математичного очікування і поля розсіювання похибки позиціонування верстата, для якого на основі дискретних вимірювань побудована функція обчислення системних поправок. На підставі експериментально-теоретичних досліджень висотних параметрів шорсткості поверхонь змінної кривизни встановлені режими обробки високоміцного чавуну різцями з круглими пластинами, при яких забезпечуються необхідні значення висоти мікронерівностей на всіх ділянках профілю валків сортового прокату. Практичним результатом впровадження у виробництво на МК «Азовсталь» чистової обробки валків на верстатах з ЧПУ стало не тільки підвищення точності сортового прокату, але й збільшення життєвого циклу валка в середньому на 5%.

Ключові слова: верстати з ЧПУ, валки сортового прокату, точність обробки складно-профільних поверхонь, векторні розмірні ланцюги.

Лещенко А.И. Обеспечение параметров точности и шероховатости формообразующих поверхностей валков сортового проката при обработке на станках с ЧПУ. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 - Технология машиностроения. - ДВНЗ «Приазовский государственный технический университет», - г. Мариуполь, 2011.

В диссертационной работе предлагается решение важной научно-технической задачи - обеспечение требуемой точности и высоты микронеровностей формообразующих поверхностей валков сотового проката при обработке на вальцетокарных станках с ЧПУ резцами с пластинами круглой формы. В работе предлагается технология обработки фасонных поверхностей валков на станках с ЧПУ на основе построения траектории перемещения инструмента параметрическими подпрограммами, для которых значения формальных параметров установлено путем исследования возмущающих воздействий на операции.

В работе выходную точность сложно-профильной поверхности определяют параметры замыкающего звена в структуре размерной цепи формообразующей системы, для которой, в зависимости от характера исследуемого процесса, отклонение от номинального значения каждого из звеньев имеет стохастическую или детерминированную природу. Основной раздел работы посвящен исследованию векторных значений отклонений, которые остаются постоянными в межналадочный период или функционально изменяются по модулю и направлению в процессе обработки заготовки. С целью внесения коррекций в траекторию перемещения инструмента исследовано влияние на точность обработки упругих деформаций технологической системы в направлении действия вектора силы резания, а также вектора математического ожидания и поля рассеивания погрешности позиционирования станка, для которого на основе дискретных измерений построены функции вычисления системных поправок.

Путем экспериментально-теоретических исследований высотных параметров шероховатости поверхностей переменной кривизны установлены режимы обработки высокопрочного чугуна резцами с круглыми пластинами, при которых обеспечиваются требуемые значения высоты микронеровностей на всех участках профиля валков сортового проката. Впервые показано, что для выпуклых поверхностей возрастает вероятность разрушения в процессе стружкообразования путем отрыва с большей высотой микронеровностей, а для вогнутых поверхностей, после пластической деформации, разрушение происходит путем среза с меньшей шероховатостью обрабатываемой поверхности.

Практическим результатом внедрения в производство на МК «Азовсталь» чистовой обработки валков на станках с ЧПУ, явилось не только повышение точности сотового проката, но и увеличение жизненного цикла валка в среднем на 5%.

Ключевые слова: станки с ЧПУ, валки сортового проката, точность обработки сложно-профильных поверхностей, векторные размерные цепи.

Leschenko A.I. Ensuring of precision and roughness surface forming parameteres of sections rolling mill, when treated on Numerically controlled machine-tools.

A thesis for Candidate's of technical science degree, speciality 05.02.08- machine building technology- Priazovskiy state technical university- Mariupol, 2011.

In the thesis a solution for an important scientific and technical problem is proposed-ensuring of the required precision and height of micro-uneveness of the forming surfaces of rolls of sections mills, when they are treate on numerically controlled roll lathes, by means of cutters, equipped with round-shaped plates.

In the work the parameters of a final chain inside the structure of dimensional chain of the forming system determine the ultimate precision of the surface of complicated shape, whereas deviation from the niminal value of each chain is of accidental or determined nature, epending upon the character of the process under investigation. With the aim of introducing some corrections into the trajectory of tool's motion the influence of elastic deformations of the technological system upon the precision of treatment,in the direction of action of a vecor of cutting force and a vector of mathematical anticipation and the field of errors scatter of machine -tools positioning was investigated, for which a function of evaluation of system corrections was constructed, based upon discrete measurements.

On the basis of experimental and theoretical investigations of height parameters of surface roughness of alternating curvature regimes of treatments were prescribed for high strength cast iron, by means of cutters, equipped with round plates, ensuring the required values of micro-unevenness for all areas of rolls of section rolling mills.

Key terms: numerically controlled machine-tools, rolls of sections mill, precision of treatment of complicated surfaces, vector dimensional chains.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ґрунтуючись на статистичних даних, можна сказати, що сьогодні в експортному потенціалі України продукція металургійного комплексу займає провідне місце. Якщо експорт листового прокату залишається експортом сировини, то сортовий прокат - це вже готова продукція, для якої умови ринку диктують необхідність вдосконалення прокатного виробництва. Базове підприємство МК «Азовсталь» володіє сертифікатом відповідності продукції міжнародному стандарту якості ISO 9001:2000 і традиційно виробляє рейковий прокат (ДСТУ 8161-75), до параметрів якого пред'являються найбільш високі вимоги. Підприємство виробляє магістральні рейки, відповідні державним стандартам країн СНД, Європи, Північної Америки і Китаю. Зміна умов прокатування (згідно ТУ.У.27.1.00190319-1291-2002 допускається коливання твердості заготовок до 10 одиниць HRC), випуск прокату з високоміцних сталей, підвищення коефіцієнта обтискань і швидкості прокатки вимагають бистрого, з мінімальними витратами, корегування профілю струмка валка. Окрім цього, при переточуванні діаметр валків може змінюватися в межах Ш1050ч Ш800 мм, а на поверхні струмків, після роботи в кліті стану» можуть бути місцеві дефекти - флокени.

Враховуючи жорстку конкуренцію на ринку прокату і світові тенденції розвитку високошвидкісного залізничного транспорту, спостерігається постійне зростання вимог до службових властивостей валків, що нерозривно пов'язано з геометричною точністю, шорсткістю і якістю формоутворювальних поверхонь валка. Вказана обставина вимагає проведення теоретичних і експериментальних досліджень в галузі обробки складно-профільних поверхонь з високоміцних валкових матеріалів. Застосування верстатів з системами ЧПУ класу CNC відкриває широкі можливості не тільки у напрямку автоматизації процесу обробки складно-профільних поверхонь, а й створює умови для побудови бібліотек параметризованих програмних модулів, включення яких до структури основної програми скорочує час на підготовку виробництва. Окрім цього, модульна побудова технологічних програм, вже на стадії їхньої розробки, дозволяє сформувати методи управління точністю обробки, що адаптуються до виробничих умов з мінімальними витратами.

Зв'язок праці з науковими планами і державними програмами. Проведені дослідження відповідають Державній програмі розвитку машинобудування на 2006 - 2011 рр. (Постанова Кабінету Міністрів від 18 квітня 2006 р. №516. Київ) і національним програмам розвитку металургійної галузі.

Основні наукові положення дисертаційної роботи практично реалізовані і отримали подальший розвиток в технічних рішеннях науково-дослідних робіт, виконаних під керівництвом автора відповідно напряму НДЧ ДВНЗ «Приазовський державний технічний університет»: № ДР 0104U009161 «Розробка керуючих програм механічної обробки об'ємних штампів на верстатах з ЧПУ, що мають три координати переміщення»; № ДР 0108U009443 «Розробка і впровадження у виробництво технологічної системи зв'язку: групи УЧПУ металорізальних верстатів з персональним комп'ютером».

Мета дослідження - забезпечення необхідної точності та висоти мікронерівностей складно-профільних поверхонь струмків валків сортового прокату з високоміцного чавуну на основі формування траєкторії переміщення інструменту - різців з пластинами круглої форми, з використанням параметричних підпрограм, для яких чисельні значення формальних параметрів встановлено шляхом дослідження збурюючих впливів на операції точіння з програмним управлінням.

Відповідно до поставленої мети визначені наступні завдання:

1. Визначити функціональний зв'язок вихідної точності фасонної поверхні з параметрами допустимих відхилень статичної наладки і підналадки, а також встановити кількісний зв'язок з системою малодискретних векторних поправок, що забезпечують підвищення точності позиціонування, із записом масиву значень поправок у системну область пам'яті пристрою ЧПУ верстата на етапі підготовки виконання програмно керованої операції.

2. Розрахувати траєкторію формоутворювального переміщення інструменту, що забезпечує теоретично точну геометрію фасонної поверхні, при заданих параметрах твірної деталі та інструментальної поверхні, яка являє собою стандартну ріжучу пластину у вигляді прямого кругового циліндра, з нахилом вісі щодо основної плоскості.

3. Розробити спосіб, який дозволяє замінити розрахункову траєкторію формоутворення, визначену гладкою кривою, ділянками дуг кіл, що мають спільну дотичну в граничних точках, за умови відхилення формованого профілю від номінального значення на величину допустимої похибки кругової апроксимації.

4. Дослідити вплив на точність обробки фасонного профілю пружного зміщення вісі ріжучої пластини за умови неоднакової жорсткості супорта в різних напрямах дії зусилля різання і отримати параметричну функцію розрахункових відхилень центру пластини від заданої траєкторії формоутворення.

5. Дослідити вплив кривизни оброблюваної поверхні на механізм формування висоти мікронерівностей.

6. Визначити режими різання обробки мінералокерамічними пластинами круглої форми високоміцного чавуну (HRC 32..46) з кулястим або пластинчастим графітом, виходячи з умови обробки поверхонь технологічних баз без підналадки, пов'язаної з розмірним зносом ріжучої пластини.

7. Розробити блок-схему автоматизованого розрахунку і корекції програмної траєкторії формоутворення фасонної поверхні струмків валків на основі отриманих в результаті проведених досліджень науково-технічних рішень.

Об'єктом досліджень є технологічна система обробки на вальцетокарних верстатах з УЧПУ складно-профільних поверхонь (калібрів) валків сортового прокату з високоміцного чавуну.

Предмет дослідження - процес формування висоти мікронерівностей і управління геометричною точністю виконання розмірів, форми і розташування складно-профільних поверхонь в умовах впливу на технологічну систему збурюючих дій.

Методи дослідження. В якості інструменту моделювання знайшли застосування: апарат теорії пластичної деформації, теорії вірогідності і векторної алгебри, програмні пакети «AUTOCAD», «Mathcad», «Solidworks» і розроблені автором програмні додатки до них. Експериментальні та технологічні дослідження проведені у відділенні підготовки прокатних валків МК «Азосталь», лабораторії кафедри технології машинобудування ПДТУ, центральній вимірювальній лабораторії ВАТ «Азовмаш». Достовірність і обґрунтованість теоретичних моделей знайшли підтвердження в результатах експериментальних досліджень обробки моделі валка та в ході дослідно-промислового виробництва валків.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Подальшого розвитку набула векторна модель формоутворювальної системи лезової обробки, структурні ланки якої складають замкнутий контур. Формалізація зв'язків між ланками, що мають детермінований або стохастичний характер, дає можливість розширити систему за рахунок досить простого «підключення» векторних ланок, які враховують збурюючі дії на вихідну точність процесу лезової обробки.

2. Вперше, задача підвищення точності обробки різцями із стандартними ріжучими пластинами циліндрової форми, для яких проекція ріжучої кромки на основну площину - еліпс, вирішена способом точного розрахунку траєкторії переміщення інструменту при виконанні всіх умов формоутворення, визначених рівнянням твірної складно-профільної поверхні та початковою інструментальною поверхнею. Нове застосування відомого методу програмування для верстатів з ЧПУ полягає в тому, що зміщення центру пластини відбувається не у напрямі контактної нормалі, а формується вектором, параметри якого залежать від рівняння ділянки фасонного профілю (патент України UA №51392).

3. Розроблений метод кругової апроксимації траєкторії переміщення інструменту, який дозволяє за рахунок строгої формалізації граничного значення похибки кругової апроксимації замінити гладку криву ділянками дуг кіл, що мають спільну дотичну в граничних точках.

4. Подальшого розвитку набуло наукове обґрунтування дослідження механізму формування висоти мікронерівностей поверхонь змінної кривизни при лезовій обробці високоміцного чавуну в однакових умовах. Встановлено, що для опуклих і увігнутих поверхонь, окрім відмінностей висоти мікронерівностей в залишковому перетині зрізу, різна шорсткість також пов'язана з крихким або пластичним руйнуванням матеріалу в процесі стружкоутворення.

Практична значущість отриманих результатів. На підставі проведених досліджень, згідно госпдоговірній роботі «Розробка системи завантаження керуючих програм у пристрій ЧПУ вальцетокарних верстатів і оптимізації режимів обробки валків сортового прокату», виконаною на замовлення ВАТ «Азовсталь», упроваджений у виробництво технологічний процес остаточної обробки валків на «заздалегідь налаштованих верстатах», який забезпечує точність сортового прокату впродовж всього життєвого циклу валка.

Технологічний процес має наступні особливості:

1. Розроблена методика, що дозволяє прогнозувати і враховувати у вигляді системних поправок вірогідне значення похибки позиціонування верстата у кожній точці координатної площини, знизити вплив на точність обробки пружних деформацій супорта при змінному напрямі дії вектора сили різання, а також формувати траєкторію переміщення центру пластини залежно від її радіусу і рівняння ділянки твірної фасонного профілю.

2. Визначені режими обробки мінералокерамічними пластинами круглої форми високоміцного чавуну (HRC 32..46) з пластинчастим або кулястим графітом, виходячи з умови необхідності обробки поверхонь технологічних баз без підналадки, з обмеженням по допустимій величині розмірного зносу.

3. Реальне скорочення часу на підготовку виробництва і впровадження нових методів отримання точності обробки, що досить просто адаптуються у виробничих умовах вже на стадії розробки керуючих програм, досягнуто за рахунок застосування програмного продукту, створеного на основі представленої в роботі блок-схеми автоматизованого розрахунку та корекції програмної траєкторії формоутворення поверхні валків.

4. Практичним результатом впровадження у виробництво на МК «Азовсталь» чистової обробки валків на верстатах з ЧПУ стало не тільки підвищення точності сортового прокату, але й збільшення життєвого циклу валка в середньому на 5%. При обробці штампів на ВАТ «Азовмаш» знайшли застосування представлені в роботі методи параметричних підпрограм, що забезпечило зниження слюсарного доведення на 8-12% за рахунок отримання постійної висоти гребінця між проходами інструменту при об'ємному фрезеруванні поверхонь змінної кривизни.

5. Результати роботи використовуються в навчальному процесі ДВНЗ «Приазовський державній технічній університет» при читанні лекцій і лабораторному практикумі з дисциплін: «Програмування і технологічні процеси для верстатів з ЧПУ», «САПР ТП».

Особистий внесок автора. Всі запропоновані алгоритми були розроблені, теоретично узагальнені та апробовані у виробничих умовах особисто автором. Автором виконані також всі експериментальні дослідження та аналітична обробка їх результатів. Науковий керівник брав участь у постановці завдань, визначенні можливих шляхів вирішення та їхньому попередньому аналізі.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на конференціях і наукових семінарах, а саме: IX, Х, ХІ, ХІІІ регіональних науково-технічних конференціях (Маріуполь, ПДТУ, 2002 - 2005); Міжнародній НТК «Високі технології: тенденції розвитку» («ХПІ», Алушта, 2003, 2005, 2008); Міжнародній НТК «Машинобудування і техносфера ХХІ століття» (Севастополь, ДонДТУ, 2001-2010).

Дисертація в повному обсязі розглянута та одержала позитивну оцінку на розширеному науковому семінарі механіко-машинобудівного факультету ДВНЗ «Приазовський державний технічний університет».

Публікації. Основні положення дисертації оприлюднені у 27 працях, серед яких 15 (11 без співавторства) наукових статей у фахових наукових виданнях ВАК України, 1 патент, 17 праць і тез доповідей на регіональних і міжнародних конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація містить вступ, п'ять розділів і додатки. Зміст розділів дисертації викладений на 189 сторінках, із них 45 рисунків на 28 сторінках, 59 рисунків за текстом, 9 додатків на 57 сторінках, 135 використаних літературних джерел на 13 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі: «Сучасні напрями забезпечення точності та якості виготовлення валків сортового прокату» - встановлені пріоритетні напрями цільових досліджень управління життєвим циклом валка, в основу яких покладено прогнозування стану об'єкту в процесі його обробки, при дії збурюючих впливів.



Рис. 1. Установка нижнього і верхнього прокатних валків в кліті стану

Відправною точкою досліджень є аналіз роботи валків, встановлених в обоймах кліті стану (мал. 1) по діаметрах Шd₁, Шd₂. Конструкторські бази валків - ШD₁, ШD₂ і конічні поверхні з кутом , які працюють у вузлі як підшипники ковзання. За матеріалами праць О. М. Чекмарьова, Б. П. Бахтінова та І. М. Губкіна зроблений детальний аналіз впливу на зносостійкість валків і якість прокату, параметрів формоутворювальних поверхонь прокатних валків, їхньої геометричної точності й шорсткості. Аналіз обробки валків фасонним інструментом на верстатах з ручним управлінням дозволив визначити причини похибок складно-профільних поверхонь. За відсутності даних щодо технології обробки валків у відкритих публікаціях, аргументом на користь програмної обробки валків став огляд технічних характеристик вальцетокарних верстатів з ЧПУ відомих світових виробників. Враховуючи рекомендації ІСМ (м. Київ), досвід роботи європейських і китайських металургійних комбінатів для чистового точіння струмків чавунних прокатних валків з матеріалу СПХН-49, СПХН-62 обрані різці зі змінними мінералкерамічними ріжучими пластинами у вигляді прямого кругового циліндра, в яких рівні за модулем негативний передній і задній кути різця отримані шляхом повороту опорної площини ріжучої пластини у державці різця.

Статистика машинобудівних заводів свідчить, що при обробці фасонних поверхонь ще існують проблеми, пов'язані з методами досягнення необхідної точності. До них можна віднести проблему створення ідентичних умов різання для всіх ділянок фасонної поверхні при обробці одним або двома різцями. Відмічено, що ефективним інструментом аналізу причин, що породжують геометричні похибки деталі, є методика, запропонована в працях Б. М. Базрова, Д. Н. Решетова, В. Т. Портмана. Разом з тим, у наведених працях не розглядаються методи обліку впливу імовірнісних відхилень на аналітично розраховану траєкторію формоутворення. Відмічено, що точність взаємного розташування поверхонь з радіусними твірними та спільною дотичною, вимагає конкретизації з метою її чисельної оцінки. Зроблений акцент на тому, що при розрахунку траєкторії обробки лекального профілю математичні критерії теорії наближення функцій не пов'язані з кількісним показником точності, прийнятим у машинобудуванні (ДОСТ 24642-81). Недоліком методу зниження похибки позиціонування шляхом обліку поправок на переміщення, записаних в системну область пам'яті пристрою ЧПУ верстата, є велика трудомісткість проведення дискретного ряду вимірювань положення супорта при зростаючій вірогідності появи накопиченої помилки самих вимірювань.

Згідно праць П. Р. Родіна, А. С. Пронікова, С. І. Лашнева та інших авторів, зроблений аналіз методів компенсації кінематичної похибки при обробці різцями з пластинами різної форми. Вказаними вченими розроблені способи нівеляції похибки обробки за різними схемами різання, однак, при цьому не знайдена можливість врахування похибки від еліпсного вигляду проекції ріжучої кромки круглої пластини на основну площину.

Зроблений аналіз відомих методів зменшення погрішностей унаслідок пружних деформацій, у тому числі й метод попереднього спотворення програмою траєкторії, розроблений В. А. Ратміровим. Система базування деталі на вальцетокарних верстатах - «передній - задній центри» і сама деталь - «прокатний валок» достатньо жорсткі, тому при чистовій обробці зусилля різання не деформує заготовку, а викликає пружне віджимання базової точки супорта на відстань, в залежності від жорсткості системи «різцевий блок - різцевий адаптер - супорт верстата» в напрямку дії сили різання. Поставлене завдання - знайти порівняно просту закономірність зміни жорсткості системи «різцевий блок - супорт» з метою корекції програмної траєкторії переміщення шляхом введення значень формальних параметрів підпрограм (модулів) технологічної програми керування.

Відмічено, що у ході дослідно-промислового виробництва, при однаковій кінематиці та режимах різання, спостерігалася різна шорсткість опуклих і увігнутих поверхонь валків. Тому для поверхонь різної кривизни розрахунок висоти залишкового перетину зрізу і визначення граничного значення оборотної подачі при заданій висоті мікронерівностей фасонної поверхні залишається актуальним завданням.

У другому розділі: «Методи експериментальних і теоретичних досліджень точності обробки валків сортового прокату» - для досягнення мети дослідження визначені технологічні бази валка, формат ланок ланцюга формоутворення, встановлені методи контролю фасонної поверхні. В якості початкових даних моделювання і методів контролю прийнята кусочно-безперервна функція FX(t), що визначає в параметричному вигляді ділянки твірної струмків валка.

Профіль контрольного шаблону (рис. 2) щодо теоретичного профілю FX(t) виконаний в «мінус» на величину допуску =0.05 мм. Для деталей важкого машинобудування, застосовується розрахунок необхідної точності методом повної взаємозамінюваності. З цією метою ланки розмірного ланцюга з кутовими і лінійними відхиленнями представлені у векторному вигляді (рис. 3).



Рис. 2. Контроль фасонної поверні валка шаблоном:1 - теоретична твірна струмка валка FX(t), 2 - профіль шаблону; допуск

Рис. 3. Формування векторної ланки розмірного ланцюга

Тоді саме розмірний ланцюг можна отримати у вигляді векторного рівняння, де кожна ланка ланцюга формоутворення представлена як вектор , який, у власну чергу, є сумою векторів:

(1)

- вектора номінального значення ланки і вектора його відхилення.

Вектор може бути відхиленням від номінального значення розмірів валка, отриманим вимірюванням або при розрахунку на точність, похибкою самого вимірювання або похибкою переміщень супорту в процесі обробки. Значення вектору може бути визначене шляхом аналітичного розрахунку, або експериментально-статистичним методом.

Розроблені методи та аналітичні залежності системи контролю фасонного профілю, котрі забезпечують контроль за декількома взаємозв'язаними параметрами поверхонь різного типу відносно вимірювальної бази - конічної поверхні з кутом нахилу (див. рис. 2).

У третьому розділі: «Моделювання формотворної системи обробки фасонної поверхні валків сортового прокату» - розроблена модель вихідної точності формотворної системи, яка являє собою групу взаємопов'язаних ланок, кожна з яких (2), у залежності від характеру досліджуваного процесу, має стохастичну або детерміновану природу моделювання. У вихідних даних моделювання параметрів точності присутня як постійна складова, отримана шляхом розрахунку на максимум, так і випадкова, із розрахованими характеристиками вірогідності. Формотворна система (рис. 4) - векторна функція параметрів ланок розмірного ланцюгу, яка у дискретні моменти часу визначає точність розмірів, форми і положення тороїдальної поверхні радіусу , як функція кутової координати t:

, (2)

де - векторна функція позиціонування базової точки супорту в залежності від кутової координати точок твірної t й похибки позиціонування ; - «зміщення нуля верстата»; - координати центру твірної тороїдальної поверхні; - радіус-вектор поверхні; - радіус-вектор ріжучої кромки пластини; - вектор пружного віджимання центру пластини від деталі; - вектор положення центру пластини ; - замикаюча ланка векторного розмірного ланцюгу, де - вектори проекцій ланки на координатні осі. На рис. 5 представлена кругла пластина, вісь якої складає з основною площиною кут , а ріжуча кромка описується параметричним рівнянням (3), де: - координатна система пластини, вісі якої паралельні координатній системі деталі, площина збігається з площиною ; r - радіус пластини; - кут, на який відігнута державка; - значення заднього і переднього кутів різця, зміряні в перетині під кутом ; q - кутова координата; а, b - точки розмірної прив'язки різця.

Рис. 4. Векторні зв'язки ланцюга формоутворення тороїдальної поверхні: 1 - твірна поверхня деталі радіусу ; 2 - траєкторія центру пластини радіусу r; 3 - траєкторія переміщення базової точки супорту



Рис. 5. Схема розташування різальної пластинки.

(3)

При установці і закріпленні різцевого блоку в адаптері супорту реальне положення центру пластини, задане у розмірному ланцюзі (2) вектором , може змінитися відносно даних, отриманих на приладі для налаштування інструменту поза верстатом. При заданому відхиленні від перпендикулярності (ДОСТ 24642-81) базових площин різцевого адаптера супорту аналітично розраховані граничні відхилення центру пластини від виміряного на приладі положення в радіальному та осьовому напрямках .

При переустановленні (під наладці) пластин у державці різця і зміні активної зони ріжучої кромки пластини визначені методом статистичного аналізу граничні значення векторів , (2) при виникаючої похибки, її математичному очікуванні для кожної вісі , , і межах полів розсіювання , . Результати експерименту дозволяють зробити висновок: для круглих пластин поле розсіювання векторної помилки переустановлення ріжучої пластини в середньому на 40% менше, ніж для квадратних пластин.

За даними дискретних вимірювань точності програмних переміщень, методом кубічної сплайн інтерполяції отримана функція поправок, яка дозволяє прогнозувати значення похибки позиціонування в точках координатної площини переміщення супорту. Після введення поправок до системної області ОЗУ пристрою ЧПУ, повторні вимірювання переміщень показали підвищення параметрів точності позиціонування згідно ДОСТ 27843-88. На основі отриманих статистичних даних розроблений метод розрахунку двомірного вектору математичного очікування - модуля і кута похибки позиціонування верстата при заданому напрямі координатних переміщень по кожній вісі: в «плюс» або «мінус». Кореляційний еліпс поля розсіювання, при переміщенні в даному напрямі, задає граничні значення параметрів вектору - його модуля () і кута нахилу ().

Для аналізу пружних деформацій у системі графічного моделювання SolidWorks була створена твердотільна модель супорту з адаптером і різцевим блоком (рис. 6). За допомогою програмного додатку COSMOSWorks отримані дані пружних віджимань центру пластини під дією рівного за модулем, але змінного за напрямком зусилля різання. Інтерполяційним методом отримано параметричне рівняння, що визначає пружне зміщення центру ріжучої пластини з урахуванням поправочних коефіцієнтів на динаміку процесу різання.



Рис. 6. Твердотільна модель супорту. 1- адаптер, 2- різцевий блок

При заданій інструментальній поверхні - пластини радіусу r яка має циліндричну форму, з нахилом вісі щодо основної площини (рис. 5), визначена в координатній системі деталі (СКД) траєкторія переміщення центру пластини при формоутворенні поверхонь деталі - тороїдальних, циліндрових, конічних і поверхонь торця, заданих рівняннями твірної FX(t), як функції кутової координати t. За умови, що в точках дотику поверхонь інструменту і деталі швидкість їх відносного руху направлена по дотичній до обох поверхонь, отримано рівняння траєкторії переміщення центру пластини залежно від куту t і радіусу поверхні R:

. (4)

Для конічної поверхні рівняння траєкторії формоутворення (4) визначається при t=const, для циліндричної поверхні , а для поверхні торця t=0. Якщо у керуючій програмі траєкторію переміщення при обробці поверхні радіусу R формує рівняння: , де r радіус пластини, а передній кут різця, то виникає похибка форми, що дорівнює . Тому, був розроблений метод кругової апроксимації аналітичних функцій дійсного аргументу, який дозволить з похибкою, що не перевищує , замінити на замкнутому інтервалі гладку криву ділянками дуг кіл, що мають спільну дотичну в граничних точках. Необхідність оцінки близькості початкової функції та функції апроксимації вимагає аналітично точного визначення похибки кругової апроксимації, під якою розуміється максимальний діаметр кола , що дотикається дуги апроксимації та заданої кривій. Таке визначення похибки узгоджується з методом контролю каліброваною проволокою. Як початкові дані кругової апроксимації функції FX(z) задані: похибка кругової апроксимації ; граничні точки інтервалу і значення перших похідних функції в цих точках. Остання умова забезпечує «гладкість» всієї траєкторії переміщення. У загальному випадку на інтервалі кругова апроксимація функції FX(z) з вказаною властивістю монотонності може бути виконана дугами - і , що мають спільну дотичну та нормаль N_C з кутовим параметром t_С. Методом ітерацій при зміні можна отримати різні варіанти дотичних дуг , що забезпечують кругову апроксимацію функції FX(z) на інтервалі з похибкою кругової апроксимації . При зменшенні ширини інтервалу, тобто, коли - значення кутової координати , похибка кругової апроксимації . Отже, якщо пошуковий алгоритм не дає потрібного результату , то необхідно зменшити ширину інтервалу .

У важкому машинобудуванні при виробництві валків повинна бути забезпечена 100% взаємозамінність. Тому, при розрахунку вихідної точності фасонної поверхні, будемо виходити з того, що всі ланки однакової структури (1) розмірного ланцюгу (2) можуть мати вкрай несприятливі поєднання максимальних або мінімальних відхилень від номінального значення.

Чисельне значення постійної складової похибки статичної настройки маркірується на різцевому блоці та вводиться до пам'яті пристрою ЧПУ як поправка, що нівелює дію похибки на даному інструментальному переході. Поле розсіювання статичної настройки визначає похибку розташування елементів фасонного профілю і враховується змінною складовою вихідної точності. До параметрів динамічної настройки входять дані, що визначають похибку форми внаслідок сумарного відхилення фасонного профілю при зміні кутової координати t з урахуванням похибки апроксимації, пружних деформацій і похибки позиціонування. Поле розсіювання при підналадці , та граничні значення похибки вектора позиціонування , визначають межі сумарного відхилення твірної фасонного профілю:

,

.(5)

Графік теоретичної похибки формоутворення тороїдальної поверхні радіусу R=62 мм представлений на рис. 7. З метою перевірки відповідності теоретичного розрахунку реальним умовам розроблена програма, по якій оброблена поверхня R=62 мм з подальшим вимірюванням параметрів її твірної на координатно-вимірювальній машині. Дані вимірювань відхилень від номінального значення (рис. 7) підтвердили адекватність параметрів реальної поверхні розрахунковому значенню допустимого відхилення.

Розрахункове максимально можливе відхилення від номінального профілю MAX()=0,0425 мм. Маючи допустиме відхилення профілю струмку валка Д=0,05 мм, граничний знос ріжучої пластини без підналагодження не перебільшуватиме 0,0075 мм. При обробці поверхонь відхилення має постійну складову dF=0.005 мм, яку можна нівелювати шляхом введення поправки для валків даного типу, виготовленого з даного матеріалу.

Рис. 7. Розрахункова похибка формоутворення тороїдальної поверхні радіусу R=62 мм: 1-, 2- - відхилення мм твірної профілю унаслідок формування траєкторії центру ріжучої пластини по дугах апроксимації; 3- - сумарне відхилення від пружних деформацій; 4- - сумарне відхилення з урахуванням похибки позиціонування; 5- , 6- відповідно нижня і верхня межі поля розсіювання завширшки ; 7- похибки формоутворення, отримані після вимірювання обробленої точінням тороїдальної поверхні R=62 мм

У четвертому розділі: «Шорсткість складно-профільних поверхонь і визначення режимів різання з максимальною розмірною стійкістю інструменту» - розглянуті питання щодо складових висоти профілю шорсткості поверхні при механічній обробці різанням. Висота профілю представлена сумою , де - розрахункова висота мікронерівностей у залишковому перетині зрізу; - складова висоти мікронерівностей, пов'язана з пластичним відтисненням, оскільки висока жорсткість технологічної системи і відсутність наростоутворення при обробці мінералокерамікою визначає пріоритетність саме цього чинника. Для тороїдальної поверхні радіусу R, при формуванні мікрорельєфу з контурною подачею F різцем з пластиною радіусу r (3), отримані аналітичні залежності для розрахунку висоти мікронерівностей у залишковому перетині зрізу - опуклої і увігнутої поверхонь.

Наближене визначення дотичної напруги при обробці поверхонь різної кривизни із високоміцного чавуну СШХН-47 зроблене методом вимірювання твердості стружки, вперше запропонованим Т. Н. Лоладзе. Експериментальне визначення твердості стружки показало її залежність від швидкості різання V і радіусу поверхні R. При цьому стружка, отримана при обробці увігнутої поверхні, мала більшу твердість у порівнянні із стружкою опуклої поверхні того ж радіусу, обробленою з тими ж режимами різання. Приймаємо в розрахунках міцність при зсуві , де - допустима дотична напруга, дискретні значення якої для опуклих і увігнутих поверхонь отримані по експериментальним значенням твердості стружки . За допомогою двомірної поліноміальної регресії отримані залежності для опуклих і увігнутих поверхонь.

Теоретична висота мікронерівностей при обробці круглими пластинами радіусу r з контурною подачею F і швидкістю різання V опуклої і увігнутої поверхонь радіусу R, з урахуванням висоти нерівностей в залишковому перетині зрізу і пластичного відтиснення , відповідає наступним аналітичним моделям:

- для опуклої поверхні:; (6)

- для увігнутої поверхні: . (7)

Графіки зміни теоретичної висоти мікронерівностей при обробці опуклої і увігнутої поверхонь матеріалу СШХН-47 (=700 Мпа) показані на рис. 8.

Рис. 8. Графік зміни висоти мікронерівностей при обробці опуклої і увігнутої поверхонь різного радіусу R з постійною контурною подачею F=0.2 мм/об і змінною швидкістю різання V: 1- швидкість різання V=70 мм/мін; 2- швидкість різання V=90 мм/мін; 3 - V=110 мм/мін

Отримані аналітичні моделі (6), (7) перевірені на адекватність шляхом отримання похибки наближення в сенсі середньоквадратичного ухилення розрахункової висоти мікронерівностей від результатів вимірювань реальної шорсткості. Похибки визначення висоти мікрорельєфу відносно реальних значень параметрів шорсткості не перевищує 10%.

Твердість стружки при обробці опуклих поверхонь менше ніж для увігнутих, отже, враховуючи непрямий зв'язок твердості з дотичною напругою , буде менше і «коефіцієнт м'якості», застосований Я. Б. Фрідманом. Тому для опуклих поверхонь зростає вірогідність того, що руйнування в процесі стружкоутворення йтиме шляхом відриву (граничне руйнування ) з більшою висотою мікронерівностей. Для увігнутих поверхонь більше, тому при перевищенні умовної межі текучості для високоміцного чавуну руйнування відбудеться шляхом зрізу, при перевищенні умовної міцності на зсув , з меншою шорсткістю оброблюваної поверхні.

При остаточній обробці найбільш важливим елементом зносу інструменту є радіальний або розмірний знос, величина якого безпосередньо впливає на точність деталі та визначає час обробки без підналадки. Тому необхідно визначити режими різання обробки валків з високоміцного чавуну (HRC 32..46), при яких розмірний знос мінімальний.

Технологічний процес дрібносерійного виробництва має наступні базові характеристики і обмеження: базування валка в центрах при обробці мінералокерамічною ріжучою пластиною круглої форми з оксидно-карбідної кераміки (у=750ч850 Мпа) з подачею F?0.1 мм/об; допустима шорсткість Ra 1.6 ч2.0; глибина різання в процесі отримання експериментальних даних залишається постійною, тому що при чистовій обробці і достатньо жорсткій технологічній системі вона незначно впливає на знос інструменту.

формоутворювальний валок сортовий прокат



Рис. 9. Графіки ліній рівня радіального зносу H_r(V,S).

Для отримання значень радіального зносу проводилася обробка циліндричної заготовки (СПХН-49) з постійною глибиною різання 0,2 мм при чотирьох значеннях подачі в діапазоні 0,05....0.3 мм/об і трьох швидкостях різання з діапазону 70....130 м/хвил. Число проходів розраховувалося, виходячи з довжини твірної профілю струмка валка. Точіння циліндричної поверхні проводилося різцями з однаковою геометрією і конструкцією на одній заготовці в однакових умовах. Радіальний знос ріжучої пластинки вимірювався на приладі для налаштування інструменту поза верстатом «Smile 600». За даними вимірювань для кожного значення подачі розрахована швидкість різання, при якій радіальний знос мінімальний. Інструментарієм пакету Mathcad, за допомогою математичної регресії, отримана потрібна функція лінії рівня (Control Plot) (рис. 9) якою на координатній площині показують зміну меж областей з певними значеннями зносу. Адекватність отриманої функції перевірена за критерієм Фішера. Функція зносу набуває мінімального значення при мм/об, м/хвил. Можливе розрахункове відхилення профілю (5) визначає граничну величину радіального зносу. Якщо , то, враховуючи монотонний характер інтенсивності розмірного зносу, його вплив можна нівелювати шляхом введення в керуючу програму відповідних поправок.

У п'ятому розділі розглянута «Точність і шорсткість валків сортового прокату при обробці на вальцетокарних верстатах з ЧПУ», після впровадження результатів проведених досліджень. В ході проведених досліджень виявлена систематична складова похибки обробки та визначені шляхи її усунення. Випадкова частина похибки, що залишилася, залежить від коливання властивостей заготовки та інших умов і робить необхідною корекцію траєкторії переміщення супорту згідно контрольних вимірювань після обробки базової поверхні струмка валку або згідно з статистичним матеріалом, отриманим на попередніх операціях обробки валків різних типів. Керування точністю реалізовано через коефіцієнти підпрограм (поправки) переміщення центру ріжучої пластини, які формують траєкторію обробки.

На початковому етапі проведення робіт, із створення нової технології чистової обробки валків, був зроблений аналіз геометричної точності валків оброблених на вальцетокарном верстаті з ЧПУ різцями з круглими пластинами. В якості дослідно-статистичних даних обрано відхилення кута нахилу твірної конічної поверхні (рис. 1), прийнятої на програмній операції за базу при обробці кожного з трьох рейкових калібрів на трьох валках кожної партії заготовок - А, В, С. Аналіз точкових діаграм (рис. 10, а) показав, що на всіх струмках валків процес формоутворення нестійкий, центр наладок і розсіяння кута нахилу твірної мають значні коливання, що виходять за межі допуску , розрахованого, виходячи з довжини твірної та допуску на профіль струмка Д=5 мкм. Окрім цього, діаграми показують превалювання впливу випадкових чинників на появу похибки профілю. Тому в завдання дослідження входило не тільки забезпечення точності обробки, але й повторюваності профілю для поверхонь струмків однотипних заготовок.



Рис. 10. Точкова діаграма відхилень кутів нахилу підошви трьох струмків валків, трьох партій заготовок - А, В, С: а) - на початковому етапі, до впровадження результатів дослідження; б) - після проведення комплексу корегувань технологічної системи, згідно с результатами досліджень.

Рис. 11. Вимірювання профілю струмків моделі валка (масштаб 1:2) на контрольному - вимірювальній машині з механічною вимірювальною головкою РН10М.

За наслідками досліджень були визначені та проведені необхідні операції комплексного корегування технологічної системи. З метою перевірки результатів досліджень на токарному верстаті DXW100 з УЧПУ CNC 645 було виконано реальне моделювання струмків валка різцями з круглими мінералокерамічнимі пластинами (ВОК63) в масштабі 1:2. Матеріал заготовки ВЧ60-2 (HRC 28...34). Дані вимірювань отриманої моделі (рис. 11) показали їх відхилення від розрахункових значень теоретичного профілю FX(t) в межах поля допуску. Проте остаточний висновок зроблений згідно вимірювань реального профілю валка за спеціально розробленою методикою. При цьому, контроль геометричної точності профілю рейкових калібрів валків виконуємо шляхом вимірювання 10ч12 координат точок твірних - конічної поверхні з теоретичним кутом конусності (рис. 1) і тороїдальної поверхні для трьох валків з матеріалу СШХН-50 трьох валків з матеріалу СПХН-45, і трьох валків після переточування (рис. 10, б). Для дев'яти валків із заготовок різного типу визначаємо реальні кути нахилу твірної і розрахункову погрішність кута, рівну: . Точкова діаграма параметрів точності валків, указує на те, що для всіх валків відхилення кутів від розрахункового знаходяться в межах допуску . Проте, для валків з матеріалу СШХН-50, як і переточених, реальні значення кутів нахилу близькі до граничних значень. В цьому випадку допуск на лінійне зміщення твірної практично дорівнює нулю. Разом з тим, досить невелике коливання відхилень кутів валків з матеріалу СШХН-50, як і переточених, свідчить про наявність систематичної похибки. Отже, змінити відхилення кута до середини поля допуску можна шляхом введення коректора, або раніше встановленої поправки.

В ході досвідчено-промислового виробництва складена база даних (БД) у вигляді реляційних таблиць матеріалів, режимів різання на переходах і відповідних таблиць програмних поправок на багатофакторні умови обробки валків.

Контроль шорсткості складно-профільних поверхонь валка здійснювався переносним прецизійним профілометром «Surtronic 25» з використанням додаткового програмного забезпечення розширеного аналізу «TalyprofileА». Результати контролю показали однакове середнє арифметичне відхилення профілю Ra струмка валка у межах 1,6 ч 1,8 мкм залежно від типу заготовки валка.

Основні висновки Й результати

В результаті проведених досліджень вирішено важливе науково-технічне завдання переходу до технології обробки складно профільних поверхонь «на заздалегідь настроєних верстатах» з ЧПУ, за рахунок вивчення механізмів впливу на процес формоутворення і параметризацію збурюючих дій, за обставин змінних умов обробки.

1. Проведений порівняльний аналіз обробки фасонних поверхонь гостровершинними різцями з напаяною пластиною, різцями контурного точіння і різцями з круглою пластиною. Встановлено, що на відміну від різців, для яких положення кінематичної площини різання щодо вектора подачі змінюється в процесі обробки, обробка різцями з круглою пластиною дозволяє підвищити точність обробки за рахунок створення ідентичних умов різання по всій траєкторії переміщення.

2. Розроблена і теоретично обґрунтована модель формоутворювальної системи, як векторної функції точності фасонної поверхні деталі залежно від параметрів ланок розмірного ланцюга формоутворювальної системи, що мають детерміноване або стохастичне сприймання.

3. Вдосконалений відомий метод досягнення точності позиціонування верстатів з ЧПУ, що забезпечує підвищення точності програмних переміщень за рахунок можливості прогнозувати і враховувати системною програмою вірогідне значення похибки позиціонування супорта в кожній точці координатної площини. Включення до моделі параметрів системи формоутворення дозволяє управляти вихідною точністю деталі шляхом підстановки значень розрахункових поправок і корекцій до заголовок технологічних підпрограм для верстата з пристроєм ЧПУ класу CNC.

4. Процес контролю поверхні обертання шаблонами можна розглядати як визначення положення твірних елементів фасонного профілю деталі щодо граничної кромки шаблону, яка побудована за принципом подібності з відхиленням в «мінус». Встановлені в даній роботі функціональні залежності допустимих відхилень контрольованих параметрів геометрії лекального профілю дозволяють виявити вже на етапі проміжного контролю причини виникнення похибок і визначити для їхнього усунення коефіцієнти коректування програмної траєкторії. Розроблений принцип розрахунку взаємозв'язаних відхилень дозволив значно зменшити число вимірювань на переходах, оскільки при автоматичному отриманні розмірів на верстатах з ЧПУ контроль параметрів вимірювальної бази дає можливість прогнозувати точність обробки решти елементів фасонного профілю.

5. Розроблений і впроваджений у виробництво спосіб (патент України UA № 51392) обробки різцями з не переточеними пластинами круглої форми з негативним переднім кутом, створеним нахилом опорної площини в державці різця. Спосіб заснований на розрахунку теоретично точної траєкторії формоутворення при заданій твірній поверхні обертання та інструментальної поверхні - пластини циліндричної форми з нахилом вісі щодо основної площини.

6. Розроблений новий метод кругової апроксимації розрахунково-теоретичної траєкторії, відмінної від дуги кола, який збільшив точність форми і розташування поверхні за рахунок строгої формалізації граничного значення похибки апроксимації при збереженні законів дотику елементів програмованої траєкторії як усередині інтервалу апроксимації, так і на його межах.

...