Управление процессом шлифования

Размещено на http://www.allbest.ru/

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ШЛИФОВАНИЯ

Манасян С.К.

Юферов Б.В.

Манасян Г.С.

Кацер А.И.

Кропачев В.С.

Ефимов А.В.

Чивиков С.В.

Повышение точности станков невозможно без глубокого и всестороннего изучения процессов, протекающих в станке при его работе. Поскольку станки в процессе эксплуатации подвергаются внешним и внутренним воздействиям, в них неизбежно возникают процессы, которые приводят к изменению технических характеристик, зачастую снижается и качество продукции [1-3].

Исследования, проведенные отечественными учеными (Ю.Н.Соколовым, В.И.Алферовым, М.З.Лурье, В.Н.Ананченко и др.), показали, что при обработке деталей в станке погрешности, вызванные его тепловыми деформациями, составляют в ряде случаев 40-70% суммарной величины погрешности. Особенно велика доля тепловых деформаций в общей погрешности обработки на станках, предназначенных для финишных операций.

Тепловые деформации, появление которых неизбежно при работе станка, вызываются как увеличением абсолютной температуры станка (воздействие внешних и внутренних источников тепла), так и неравномерностью нагрева его узлов (причиной, как правило, являются внутренние источники тепла). Чаще всего тепловые деформации станков носят сложный пространственно-временной характер и зависят от многих факторов: расположения источников тепловыделения и мощности теплообразования этих источников, режимов работы станка, эффективности отвода тепла из мест его образования и др.

Точность обработки на станке будет в первую очередь зависеть от точности и шероховатости поверхностей деталей узлов станка. Однако при проектировании и изготовлении машин нужно учитывать и другие факторы, влияющие на ее точность. В числе таких факторов отметим жесткость узлов станка, которые могут вызывать упругие перемещения технологической системы. На конечную точность обработки большое влияние оказывает и точность измерительных и отсчетных устройств этого станка, предназначенных для оценки перемещения стола с изделием относительно инструмента. Неточность обработки может возникнуть в результате тепловых деформаций узлов и деталей станка, а также вследствие снижения качества зубчатых колес и ходового винта, что влияет на точность кинематической цепи станка. Особенно это актуально для зуборезных, винторезных, зубо- и резьбошлифовальных станков.

Тепловые деформации элементов технологической системы происходят вследствие нагревания частей станка, приспособления, инструмента и детали. Источником теплоты при обработке является работа, затрачиваемая на пластические деформации материала детали в зоне шлифования, трение стружки о переднюю поверхность инструмента и трение между задней поверхностью инструмента и деталью.

Основная часть теплоты в процессе обработки переходит в стружку. В зависимости от режима шлифования это количество теплоты может быть различным и возрастает с увеличением скорости процесса. Другая часть теплоты распределяется между инструментом и деталью, а частично рассеивается в окружающую среду. Количество теплоты, поступающей в деталь при шлифовании поверхностей, зависит от ряда факторов и может изменяться в большом диапазоне (от незначительных величин до существенных значений). Это же относится к влиянию на точность обработки. При обработке тонкостенных деталей это влияние может быть значительным. Нагревание инструмента вызывает снижение его стойкости и изменение размеров.

Теплота выделяется не только при работе под нагрузкой, но и три работе станка на холостом ходу. Источниками теплоты являются электродвигатели, трение в зубчатых колесах, подшипниках, других механизмах и приводах. Теплота передается станку также смазочно-охлаждающей жидкостью, отводящей теплоту из зоны механической обработки. Нагрев частей станка зависит также от температуры производственного помещения и наличия поблизости источников теплоты, например закалочных агрегатов, нагревательных устройств и т. д.

Нагрев частей станка происходит неравномерно. В связи с этим не только изменяется взаимное расположение частей станка, заготовки и инструмента, но и направление их относительного перемещения. Это явление значительно для особо точных станков, работающих на чистовых операциях, - шлифовальных, прецизионных токарных и фрезерных. Например, при шлифовании зала с продольной подачей на круглошлифовальном станке ось заготовки может оказаться не параллельной направлению подачи из-за смещения стола при нагреве. В результате обработанная деталь получит конусность.

Изменение взаимного положения частей работающего станка происходит неравномерно. Оно особенно заметно в первые минуты и часы работы. Затем наступает так называемое тепловое равновесие, когда взаимное положение частей почти не изменяется. Поэтому в условиях серийного производства, когда на станке обрабатывают разнообразные заготовки, стремятся в начале смены, пока станок еще не прогрет до наступления теплового равновесия, обработать менее точные детали.

Особо точные детали обрабатывают на станках, размещенных в так называемых термоконстантных цехах, где с высокой точностью поддерживается заданная температура помещения и влажность воздуха. Температурные деформации, как и упругие перемещения, технологической системы «станок - приспособление - инструмент - деталь» достигают значительных величин и оказывают существенное влияние на точность и производительность обработки. Их влияние особенно проявляется на финишных этапах обработки, при которых влияние упругих перемещений невелико, и в основном доминируют температурные деформации.

Характер и величина температурных деформаций зависят от количества источников тепла, их расположения на станке, интенсивности тепловыделения, размеров и материала деталей технологической системы и ее конструктивной схемы. Из-за неравномерности нагрева узлов станка в процессе его работы изменяется относительное положение инструмента и заготовки. Причем линейные изменения относительного положения инструмента и заготовки приводят к размерным погрешностям, а угловые повороты узлов станка - к погрешностям формы и расположения. Если размерные погрешности относительно легко компенсируются поднастройкой на размер во время работы станка, то угловые повороты узлов станка во время его работы компенсировать сложно. Тем самым наличие угловых поворотов станка во время его работы характеризует несовершенство его компоновки или качества монтажа, а чаще всего то и другое вместе [4-6].

Основными источниками тепла являются процессы обработки и работа, затрачиваемая на преодоление сил трения, возникающих при соприкосновении движущихся деталей в станке. Все источники тепла оказывают различное влияние на характер изменения температуры звеньев системы. При этом погрешность размера обрабатываемой детали вызывается температурными изменениями линейных размеров звеньев системы, а отклонения формы - нарушением начальной геометрической формы базовых деталей станка вследствие неравномерности в пространстве температурного поля и изменением динамических характеристик системы «станок - приспособление - инструмент - деталь» (жесткость, демпфирование и т.д.).

Большое влияние на значение температурных деформаций оказывает интенсивность и продолжительность выделения тепла, которая зависит от режимов резания, режущей способности шлифовального круга, материала обрабатываемой детали и др.

Применяют следующие методы борьбы с тепловыми деформациями технологического оборудования:

- вынос узлов и механизмов с повышенным тепловыделением (например, гидросистем) за пределы станка;

- использование в зоне резания смазочно-охлаждающей жидкости;

- принудительное охлаждение узлов;

- создание термоконстантных цехов, в которых поддерживается постоянная температура;

- выравнивание температурного поля путем искусственного подогрева или охлаждения отдельных узлов;

- автоматическая компенсация тепловых деформаций -- применение коррекционных линеек в станках с ручным управлением и использование предыскажения программы в станках с ЧПУ.

Последний метод представляется наиболее перспективным; при этом его применение легко комбинируется с другими методами. Однако он является и наиболее сложным и требует разработки структуры системы управления шлифовальным процессом и построения математической модели с реализацией ее на ПЭВМ.

В связи с различным расположением источников тепла, изменением их положения, переменной интенсивностью и переменной продолжительностью выделения тепла нагрев технологической системы в разных ее точках происходит неравномерно и с различной скоростью.

В отличие от упругих перемещений, которые мгновенно возникают при приложении нагрузки и также исчезают при ее снятии, температурные деформации сравнительно медленно нарастают и также медленно исчезают.

Поэтому при построении систем контроля температурных деформаций следует принимать во внимание не только их величины, но и скорость образования [1-8].

Целью работы является повышение точности размеров и формы обрабатываемых при круглом наружном шлифовании деталей и повышение производительности технологического процесса.

Методы снижения влияния температурных деформаций можно подразделить на две группы:

- уменьшение тепловых деформаций;

- уменьшение степени влияния тепловых деформаций на точность станка.

К первой группе относятся следующие методы:

- снижение тепловыделений;

- снижение теплоотдачи.

Ко второй группе можно отнести следующие методы:

- управление тепловыми деформациями станка;

- повышение сопротивляемости технологической системы тепловым воздействием;

- компенсация тепловых деформаций дополнительными перемещениями рабочих органов станка.

Для реализации нами было выбрано второе направление. На долю погрешностей, обусловленных тепловыми деформациями станков, приходится до 30-70 % общей погрешности обработки. При этом температурные деформации вызывают не только погрешности размеров, но и погрешности формы обрабатываемых деталей.

Приведем методику расчета погрешности от тепловых деформаций системы. Источниками тепловыделения в технологической системе являются:

- трение стружки о переднюю поверхность режущего инструмента;

- трение задней поверхности режущего инструмента по обработанной поверхности детали;

- потери на трение в подвижных механизмах станка (подшипниках, зубчатых передачах и т.п.),

- тепловыделение из зоны резания.

Весь расчет можно свести к определению тепловых деформаций инструмента. Выделяющееся в зоне резания тепло частично уносится со смазочно-охлаждающей жидкостью, частично рассеивается в окружающем пространстве лучеиспусканием и конвективным теплообменом, а также передается заготовке и режущему инструменту, а также станку. Это приводит к разогреву станка, заготовки и режущего инструмента и нарушению взаимного положения заготовки и режущей кромки инструмента.

Наибольшее влияние на точность механической обработки оказывают тепловые деформации режущего инструмента и обрабатываемой заготовки; влиянием остальных составляющих, как правило, можно пренебречь.

Тепловые деформации обрабатываемой заготовки(детали) зависят от количества теплоты, поступающей в заготовку из зоны обработки, массы и удельной теплоемкости материала детали (заготовки). Количественно они могут быть определены по известной зависимости [9]:

?_ТД = _i-1 - T_i) (1)

где б - температурный коэффициент линейного расширения материала заготовки;

d - диаметр обрабатываемой заготовки, мм;

Т_i-1, T_i - соответственно исходная и текущая (в i-й момент времени) температура детали.

Тепловые деформации инструмента приводят к удлинению державки, а следовательно, к смещению режущих кромок и изменению размеров (уменьшению) обрабатываемых диаметров, т.е. образованию погрешности обработки.

На рисунке 1 показана схема уменьшения диаметра обрабатываемых деталей в партии из-за температурного удлинения резца.

Рис. 1. - Схематическое представление температурной деформации

температурный деформация шлифовальный станок

Зависимость тепловых деформаций резцов от времени их работы, иллюстрирует процесс образования погрешности обработки от изменения размеров применяемого инструмента.?

Рис. 2. - Динамика изменения температурной деформации

Точка А на графике (рис. 2) и соответствующее ей время показывают момент установления теплового равновесия системы. Участок ОА, изменяющийся по экспоненциальному закону может быть описан зависимостью:

?_ТИ = С l (1-

где С - эмпирический коэффициент (С = 4, 0...4, 5);

l - вылет резца, мм;

F - площадь поперечного сечения тела резца, мм2;

- предел прочности обрабатываемого материала детали, кг/мм²;

v - скорость резания, м/мин

= ;

t, S - соответственно глубина резания и подача;

- время работы резца (до точки А ), мин.

Тепловое равновесие (при котором прекращается удлинение резцов) наступает примерно через 12...24 минут непрерывной работы, а общее тепловое равновесие всей технологической системы наступает примерно через 2-3 часа работы.

Практически же в условиях производства неизбежны перерывы в работе, поэтому с учетом перерывов (станок и инструмент успевают охладиться):

?_Т = ?_ТД 1 1 + , (3)

ф1, ф2 - соответственно продолжительность машинного времени и времени перерывов, мин.

Для снижения влияния тепловых деформаций инструмента ?_ТИ и обрабатываемой детали ?_ТД на точность механической обработки применяют: различные смазочно-охлаждающие жидкости.

Погрешности обработки, вызванные тепловыми деформациями, могут достигать 30...40% от суммарной погрешности обработки. При обработке среднеуглеродистых сталей диаметром до 50 мм, их температурные деформации могут достигать 20-25 мкм.

Основное значение имеют перемещения и повороты осей шлифовального круга и линии центров. Нарушение параллельности оси центров направлению продольного движения стола вызывает конусообразность обрабатываемой детали. В отечественной и зарубежной практике накоплен большой опыт создания различных средств повышения качества (точности) станков путем управления тепловыми деформациями последних. При этом используются разнообразные способы минимизации и стабилизации тепловых деформаций или степени их влияния на точность станка [4, 7]. В работе [8] рассматриваются основные направления снижения влияния температурных деформаций, как на этапе проектирования станков, так и в процессе их эксплуатации.

Система управления состоит из двух взаимосвязанных частей: системы измерения температуры в характерных точках станка и системы активного контроля формы в продольном сечении детали, имеющих общий исполнительный привод.

Информация со всех датчиков температуры и измерительных приборов линейных размеров, плоскостности, конусности поступает в адаптер, оттуда в устройство ввода-вывода (УВВ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) ПЭВМ. После обработки этой информации из ПЭВМ через ISA и УВВ поступает команда на привод шпинделя (в случае обнаружения температурной деформации), а также соответствующие команды на устройство блокировки станка и на управление шаговым двигателем, откуда через редуктор на винт-гайку и поворотный стол.

Для измерения температуры в характерных точках станка использовались двухвыводные интегральные датчики температуры AD590. Схема датчика характеризуется линейной зависимостью выходного сигнала от температуры. Токовый выход в схеме уменьшает влияние помех на выходной сигнал. Датчик нечувствителен к величине приложенного к нему напряжения и может использоваться с длинными соединительными проводами. Чувствительность датчика I_T/T = 1мкА/K, максимальная погрешность в интервале температур 0…100C с двумя подстройками составляет 0, 3C. Рабочий интервал температур от -55 до +155C. Высокое выходное сопротивление (10 МОм) обеспечивает почти полное подавление пульсаций и дрейфа напряжения источника питания [10].

Датчики, установленные на станке, в количестве необходимом для получения исчерпывающих данных об объекте контроля, через адаптер передают измерительную информацию на устройство ввода-вывода. Затем информация, преобразованная в цифровую форму, поступает на системную шину ISA ПЭВМ. ПЭВМ представляет оператору всю необходимую информацию при помощи дисплея, на котором данные могут высвечиваться в цифровом виде или в виде диаграмм, характеризующих ход процесса. Также могут быть представлены и отдельные зоны объекта контроля с указанием состояния его частей.

Система сравнивает поступающую измерительную информацию (температуру в характерных точках станка) с математической моделью процесса, заложенной в памяти машины, т.е. переходит от величины нагрева частей станка к температурным деформациям и вырабатывает управляющие сигналы, поступающие на схему управления шаговым двигателем. Погрешности, связанные с неравномерностью нагрева отдельных частей станка, компенсируются в результате поворота верхнего поворотного стола станка, после окончания прохода шлифовального круга. Накапливая и анализируя поступающую от температурных датчиков и измерительного устройства информацию, система способна корректировать стратегию управления, учитывая ряд дополнительных факторов.

В качестве устройства ввода-вывода использовался универсальный адаптер аналого-цифрового ввода - вывода “NVL-03”, обеспечивающий преобразование аналоговых сигналов в диапазоне напряжений 5В и частот 0...12, 5 кГц в цифровой эквивалент. Устройство может выполнять следующие функции: ввод аналоговой информации; ввод цифровой информации; вывод цифровой информации. Функционально устройство “NVL-03” можно разделить на две независимые части: АЦП и цифровой ввод-вывод. АЦП в свою очередь состоит из следующих узлов:

- входного усилителя, обеспечивающего высокое входное сопротивление и нормированный коэффициент усиления;

- аналогового НЧ фильтра, обеспечивающего отсечение гармонических составляющих входного сигнала с частотами, превышающими 0, 8 от частоты Найквиста, которая определяется как F_T/2, где F_T - частота дискретизации АЦП. Применение такого фильтра позволяет избавиться от эффекта “наложения”, искажающего спектр исследуемого сигнала после его дискретизации;

- устройства выборки и хранения, сохраняющего неизменным напряжение на входе микросхемы АЦП в течение времени преобразования;

- схемы запуска, формирующей сигналы, необходимые для функционирования микросхем АЦП, и сигналы, обеспечивающие взаимодействие ПЭВМ и устройства “NVL-03”.

Основным элементом схемы запуска является программируемый таймер КР580ВИ53. Два канала этого таймера формируют длительность интервалов между запусками при аппаратном запуске и интервалов задержки при программном или внешнем запуске [11].

Для цифрового ввода-вывода в устройстве предусмотрен программируемый интегральный порт ввода-вывода КР580ВВ55А и регистр КР1533ИР33. Два регистра микросхемы КР580ВВ55А доступны пользователю. Регистр КР1533ИР33 обладает повышенной нагрузочной способностью, работает только на выход и допускает работу на длинную линию.

В процессе обработки размеры детали в поперечном сечении контролируются трехконтактной накидной скобой с индуктивным преобразователем. Контроль и автоматическая компенсация конусообразности производится только в режиме чистового шлифования. В процессе обработки детали стол станка перемещается, и по команде с ПЭВМ в двух базовых сечениях производится контроль конусообразности. Результаты измерений преобразуются в цифровую форму в адаптере аналого-цифрового ввода-вывода “NVL-03” и передаются в ПЭВМ, где и происходит вычисление конусообразности и сравнение с заданными значениями. В случае отклонения от заданных значений вырабатывается сигнал на привод шагового двигателя, пропорциональный углу поворота стола станка. Шаг двигателя составляет 22, 5^о, что соответствует перемещению исполнительного органа 0, 01 мм.

Шаговый двигатель осуществляет перемещение исполнительного органа из исходного положения в требуемое с необходимой точностью для обеспечения взаимной координации шлифовального круга и обрабатываемого изделия. Вал шагового двигателя связан с исполнительным органом через червячный редуктор и далее для преобразования вращательного движения в поступательное передачей “винт-гайка”. Осевой зазор в винтовой паре устраняется с помощью плоской пружины. Для уменьшения зазоров в кинематической цепи все соединительные муфты изготовлены втулочного типа.

Конусообразность компенсируется в результате поворота верхнего стола круглошлифовального станка. Для повышения КПД исполнительного органа была осуществлена замена направляющих скольжения направляющими качения.

Для торможения и зажима исполнительного органа в системе применены электромагнитные порошковые тормоза [12], которые состоят из четырех электромагнитов, закрепленных с помощью жестких кронштейнов на исполнительном органе (верхнем поворотном столе), и четырех магнитопроводов, расположенных на нижнем столе. Между электромагнитами и магнитопроводами установлен постоянный зазор (Ѕ=0, 5 мм), находящийся в ванне, заполненной ферромагнитной смесью. В расторможенном состоянии при отсутствии тока в управляющих обмотках электромагнита поворотный стол свободно поворачивается. Наполнитель - ферромагнитный порошок - свободно пересыпается в рабочем зазоре. При достижении исполнительным органом требуемого положения двухкатушечная обмотка возбуждения включается в электрическую цепь системы. Ферромагнитная смесь под действием магнитной индукции в рабочем зазоре затвердевает и сцепляет поверхности магнитной системы. Происходит торможение и зажим исполнительного органа на время, в течение которого выполняется шлифование детали. При отключении электромагнита исчезает магнитный поток, ферромагнитная смесь приобретает подвижность, и усилие зажима исчезает. Исполнительный орган разблокирован и подготовлен для следующего цикла.

Выводы

1. В результате теплового воздействия возникают тепловые деформации, отрицательно влияющие на работоспособность станка. Наибольшее влияние на точность обработки оказывают температурные деформации в процессе разогрева станка, т.е. в период, когда тепловое состояние не является стационарным. При этом температурные деформации системы «станок - приспособление - инструмент - деталь» из-за неравномерного в пространстве температурного поля вызывают прогибы и коробление станины, искривление столов и направляющих, что нарушает пространственное положение узлов станка. Снижение температурной деформации, наряду с повышением виброустойчивости и применением датчиков обратной связи (датчиков температуры и вибродатчиков) и соответствующих регуляторов является перспективным современным направлением совершенствования многооперационных станков с ЧПУ.

2. Влияние температурных деформаций технологической системы особенно проявляется на финишных операциях (шлифование и др.). Тепловые деформации узлов станка могут быть рассчитаны, если известны их температурные поля.

3. В результате проведенных исследований влияния температурных деформаций на точность изготовления деталей в процессе наружного шлифования была разработана математическая модель системы «станок - приспособление - инструмент - деталь» и алгоритм управления процессом наружного шлифования. Данный алгоритм реализован в системе управления на базе ПЭВМ.

4. Разработана структурная схема системы управления процессом шлифования на основе контроля температурных деформаций.

5. Предлагаемая система управления относится к направлению уменьшения степени влияния тепловых деформаций на точность станка методом компенсации тепловых деформаций дополнительными перемещениями рабочих органов станка.

6. Созданная система позволяет управлять процессом наружного шлифования, проводя коррекцию температурных деформаций и размерных погрешностей, что обеспечивает уменьшение значений погрешностей формы и размеров.

7. Применение данной системы позволяет повысить производительность технологического оборудования с сохранением заданных параметров точности обработки деталей при наружном шлифовании.

8. Структура системы позволяет использовать её для исследования других влияющих факторов и корректировки модели управления на основе полученной информации.

Литература

1. Бреев Б.Т. Тепловые деформации в станках и меры борьбы с ними // Станки и инструмент. - № 3, 1956 - с. 14-15.

2. Ананченко, В.Н. Основы активного контроля сложнопрофильных крупногабаритных тел вращения. - Ростов н/Д, 1985. - 132 с.

3. Андрианова, И.А. Уменьшение тепловых деформаций торцешлифовальных станков: диссертация... к. т. н.: 05.03.01. - Москва, 1984. - 203 c.

4. Марцинкявичюс, А.-Г.Ю. Снижение тепловых деформаций круглошлифовального станка // Станки и инструмент. - №5, 1991. - С. 7-10.

5. Нифагин, С.Д. Разработка и исследование метода автоматической компенсации тепловых деформаций металлорежущих станков с ЧПУ: диссертация... к. т. н.: 05.03.01. -М., 1984. - 223 c.

6. Бобрин В.И. Погрешности обработки на плокошлифовальных станках, возникающие из-за температурных деформаций их узлов // Станки и инструмент. - № 8, 1967. - с. 26-27.

7. Вектерис, В.Ю. Стабилизация температурного поля круглошлифовальных станков // Станки и инструмент. - №7, - 1986. - С. 17.

8. Юрин, В.Н. Автоматизированный выбор способа управления тепловыми деформациями станков // Станки и инструмент. - №11, 1990. - с.7-9.

9. Беляев Н.М., Рядно A.A. Методы теории теплопроводности. - Ч.1. - М.: Высшая школа, 1982.- 327 с.

10. Виглеб, Г. Датчики: устройство и применение / Пер. с нем. - М.: Мир, 1989. - 158с.

11. Каган, Б.М., Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. - М: Энергоатомиздат, 1987. - 304 с.

Размещено на Allbest.ru