Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 05.03.01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Повышение производительности глубинного шлифования за счет программного регулирования скорости продольной подачи при обработке коротких деталей

Полуглазкова Надежда Владимировна

Рыбинск - 2008

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьева”

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Волков Дмитрий Иванович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Макаров Владимир Федорович кандидат технических наук, старший преподаватель Прокофьев Максим Александрович

Ведущая организация - ОАО «НПО Сатурн»

Защита состоится «____» декабря 2008 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьева” по адресу: Ярославская область, г. Рыбинск, ул. Пушкина 53, главный корпус РГАТА, ауд. 237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования “Рыбинской государственной технологической академии имени П. А. Соловьева”.

Автореферат разослан «____ » октября 2008 года.

Ученый секретарь диссертационного совета ______________ Б. М. Конюхов

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы Технология обработки деталей абразивными инструментами совершенствуется в направлении повышения производительности процесса шлифования, оптимизации характеристик абразивного инструмента, повышения качества обрабатываемых поверхностей, в том числе точности обработки, автоматизации операций шлифования. В настоящее время процесс глубинного шлифования (ГШ) широко применяется при обработке труднообрабатываемых материалов в авиационной и инструментальной промышленности.

Наибольший интерес при ГШ представляет обработка с максимальной производительностью, что выражается в минимизации времени обработки детали. Основными ограничениями в этом случае являются требования к качеству деталей, а также допустимые режимы эксплуатации оборудования и инструмента. При ГШ деталей ГТД, которые имеют небольшую длину, соизмеримую с протяженностью дуги контакта круга и детали обработка с максимальной глубиной шлифования составляет 10 - 20 %, а остальное время приходится на участки врезания и выхода, где процесс является менее напряженным. В этом случае назначение режимов ГШ с постоянной скоростью продольной подачи может привести к снижению производительности процесса. Поэтому повышение производительности при обработке такого типа деталей может быть достигнуто, если продольную подачу изменять в соответствии с изменением глубины шлифования.

Отсутствие надежных математических моделей, позволяющих прогнозировать процессы плоского ГШ с регулированием продольной подачи, определяет актуальность решения данной задачи для теории и практики ГШ.

Цель работы Повышение производительности глубинного шлифования за счет программного регулирования скорости продольной подачи.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1 Создание алгоритмов управления скоростью продольной подачи на участках врезания и выхода шлифовального круга. Разработка математической модели плоского ГШ с программным регулированием.

2 Разработка математической модели тепловых процессов плоского ГШ с программным регулированием с учетом влияния размеров детали, режимов обработки и характеристик технологического оборудования.

3 Сравнительный анализ результатов расчетов температурно-силовых зависимостей, точности и шероховатости обработки, физико-механического состояния обработанной поверхности при использовании алгоритмов изменения скорости продольной подачи и при постоянной скорости продольной подачи.

4 Разработка методики оптимизации ГШ по максимуму производительности.

5 Разработка программного обеспечения для системы программного регулирования.

6 Разработка практических рекомендаций по использованию ГШ с программным регулированием в машиностроительном производстве.

Методы исследования Теоретические исследования проводились с использованием фундаментальных положений теории резания, теории теплопередачи, технологии машиностроения.

Достоверность и обоснованность научных результатов

Достоверность научных выводов и рекомендаций обеспечивается удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных данных. При обработке экспериментальных данных использовались статистические методы.

На защиту выносятся:

- аналитическая модель определения параметров зоны контакта и силы резания при изменяющейся на участках врезания и выхода по определенному алгоритму скорости продольной подачи;

- аналитическая модель определения теплового режима шлифования при обработке коротких деталей при изменяющейся скорости продольной подачи;

- сравнение результатов расчетов, проведенных для ГШ с постоянной скоростью продольной подачи и с переменной скоростью продольной подачи на участках врезания и выхода по температурно-силовому состоянию, по точности профиля, по шероховатости, по напряженному состоянию;

- методика оптимизации ГШ с программным регулированием.

Научная новизна Разработаны основы программного управления скоростью продольной подачи при ГШ коротких деталей, позволяющие повысить производительность обработки. В том числе:

- разработана математическая модель ГШ при изменяющейся по заданному алгоритму скорости продольной подачи на этапах врезания и выхода, позволяющая определить законы изменения параметров зоны контакта и силы резания;

- разработана математическая модель теплового процесса, возникающего при ГШ коротких деталей, позволяющая определять температурное поле на границе детали, а также учитывать влияние изменяющейся скорости продольной подачи;

- сформулирована система ограничений области режимов обработки, обеспечивающих бездефектное плоское ГШ с учетом регулируемого изменения скорости продольной подачи.

Практическая ценность На основе выполненных теоретических исследований разработана методика оптимизации условий плоского ГШ с программным регулированием скорости продольной подачи в зависимости от глубины шлифования, обеспечивающая получение максимальной производительности при обработке деталей и заданных параметров точности с учетом возможностей инструмента и станочного оборудования.

Разработан пакет прикладных программ для расчета технологических параметров, определяющих условия плоского ГШ с программным регулированием скорости продольной подачи.

Реализация результатов работы Основные положения диссертации предложены для внедрения регулирования процессов ГШ на предприятии ОАО «НПО Сатурн» при разработке и оптимизации технологических операций ГШ коротких деталей.

Апробация результатов работы Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на Международной школе-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов им. П. А. Соловьева и В. Н. Кондратьева «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений» Рыбинск, 2006, на Международной молодежной научной конференции «XXXII Гагаринские чтения», Москва, 2006; на шестой всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону», Вологда, 2008.

Публикации По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ: в том числе 6 статей, 4 тезисов докладов.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников. Общий объем работы 132 страницы, 41 рисунок, 7 таблиц, 82 формулы и 121 наименований литературы.

2. Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертационной работы, кратко сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приводится краткий анализ современного состояния процессов абразивной обработки, а также рассмотрены основные направления ее развития. Важное отличие этого способа шлифования от других состоит в том, что оно происходит при более низких скоростях и при большей глубине резания, чем обычная высокоскоростная обработка материалов. Рассмотрено влияние процесса ГШ с постоянной скоростью продольной подачи на качество поверхностного слоя (шероховатость поверхности, остаточные напряжения, глубину и степень наклепа). Основополагающими результатами в области исследования качества поверхностного слоя при абразивной обработке, в частности механизма формирования напряженного состояния, служат работы Безъязычного В. Ф., Евсеева Д. Г., Корчака С. Н., Кравченко Б. А., Маслова Е. Н., Маталина А. А., Резникова А. Н., Сальникова А. Н., Усова А. В., Якимова А. В., Ящерицына П. И. и др.

Отмечено, что при шлифовании с малыми скоростями продольной подачи и большим съемом материала за один проход возникают вопросы, связанные с предохранением детали от теплового повреждения. Для повышения эффективности ГШ необходимо обильное охлаждение, при этом наибольший эффект достигается только при попадании СОЖ в зону резания.

Опыт эксплуатации станков с ЧПУ показывает, что возможности собственно станка и инструмента далеко не всегда используются полностью. Для повышения производительности при шлифовании могут применяться программные и адаптивные алгоритмы управления. В частности, разработкой программных алгоритмов управления занимались Михелькевич В. Н., Балакшин Б. С., Васильев Д. В., Николаенко А. А., Зубарев Ю. М., Карабчиевский Л. П. и другие. Разработкой адаптивных алгоритмов шлифования занимались Михелькевич В. Н., Якимов А. В., Соломенцев Ю. М., Старков В. К., Рыкунов Н. С., Волков Д. И., Крючков А. В. и другие. Рассмотрены наиболее часто использующиеся программные алгоритмы.

Известно также, что параметры процесса резания в течение времени обработки даже одной детали изменяются. Обычно эти изменения не учитываются при программировании цикла работы станка, так как при составлении программы выполняется расчет режимов шлифования для некоторого наиболее напряженного участка обработки, т. е. по наихудшему варианту. Такой подход к выбору режимов обработки приводит к снижению производительности. Другим путем решения задачи является применение различных адаптивных алгоритмов управления обработкой. Сделан вывод, что не все из рассмотренных алгоритмов управления являются пригодными для процесса ГШ, так как не учитывают характерные особенности этого процесса.

Выявлены достоинства и недостатки программных и адаптивных алгоритмов управления. Для повышения производительности обработки принято решение о создании программного алгоритма изменения скорости продольной подачи в зависимости от действительной глубины шлифования.

Во второй главе показаны особенности ГШ коротких деталей, определившие характер исследовательской работы. При обработке коротких деталей повышение производительности может быть достигнуто, если продольную подачу изменять в соответствии с изменением глубины шлифования.

Поэтому разработаны два алгоритма изменения скорости продольной подачи в зависимости от глубины шлифования, позволяющие поддерживать на постоянном уровне секундный съем металла (, мм3/с) или толщину среза (). Алгоритм поддержания на постоянном уровне секундного съема металла

где - скорость продольной подачи; - технологически заданная глубина шлифования; - номер программируемого участка; - глубина шлифования на j-м участке.

Алгоритм поддержания на постоянном уровне толщины среза

.

Представлена разработка математической модели ГШ с изменяющейся по заданным алгоритмам скорости продольной подачи. Данная модель является аналитической и позволяет учесть все основные параметры зоны контакта при ГШ, а также характеристики абразивного инструмента.

Определены наиболее вероятные значения параметров зоны контакта при плоском ГШ с программным регулированием процесса обработки:

- плотность режущих зерен на j-м отрезке

,

где - диаметр круга; - высота круга; - количество зерен в режущем слое круга, - угол между режущими зернами круга;

- число режущих зерен на площадке контакта на j-м отрезке

;

- средняя глубина резания единичного зерна при плоском шлифовании на j-м отрезке

.

Получение общего выражения для составляющих силы шлифования осуществлялось путем суммирования единичных импульсов силы при известном наиболее вероятном количестве одновременно режущих зерен на площадке контакта

,

.

Где

где - сопротивление пластическому сдвигу; - ширина среза абразивного зерна; - тангенс угла наклона условной плоскости сдвига; - плотность обрабатываемого материала; - скорость резания; - среднее значение переднего угла; - длина временной застойной зоны; - средний коэффициент трения по задней поверхности; - радиус закругления режущей кромки, - угол трения по задней поверхности; - высота подминаемого слоя.

На основе расчетов получены графические зависимости (рис. 1) для различных типов алгоритмов управления скоростью продольной подачи:



Рис. 1. Графические зависимости при , и при постоянной скорости продольной подачи : мм/мин; мм; м/с; высота круга 30 мм; круг 24AF120G12V (24А10ПВМ212К5) .

Глубинное шлифование короткой детали можно рассматривать как процесс шлифования клиновидного тела с углом клина или близких к нему значений. Температурное поле шлифуемого клина в области, близкой к ребру, может существенно отличаться от температурного поля массивной детали, это в нередких случаях приводит к дефектам. Поэтому проведен анализ влияния границы детали, а также изменяющейся скорости продольной подачи на участках врезания и выхода при рассмотренных алгоритмах управления на тепловой режим. С учетом изменяющихся параметров обработки шлифование деталей малой протяженности можно считать нестационарным. За начало системы координат z0y принята граница детали, соответствующая окончанию обработки (рис. 2). Для решения задачи уравнение теплопроводности дополнено граничными и начальными условиями. Приняты некоторые допущения.



Рис. 2. Схема расчета температурных полей детали (--- - встречное; - - - - попутное)

В результате решения уравнения теплопроводности было получено следующее выражение в критериальном виде

где - критерий Фурье, характеризующий время теплового процесса; - критерий Пекле, характеризующий скорость движения источника тепла; - критерий Био, характеризующий теплообмен на поверхности тела; , , - безразмерные координаты; , - безразмерная ширина зоны контакта.

Подстановкой в критерии подобия скорости продольной подачи, изменяющейся по требуемому алгоритму, создаем условия для расчета температурного состояния на участках врезания и выхода. Это необходимо для того, чтобы определить изменение температурного режима на этих участках с целью недопущения брака (рис. 3).



Рис.3. Зависимость температуры от координаты z при различных значениях критерия Fo: y=0 мкм; мм/мин; мм; Вт/(м2К), мм;

а) обработка с постоянной скоростью продольной подачи; б) обработка при использовании алгоритма ; в) обработка при использовании алгоритма

При работе системы программного управления по любому из алгоритмов существенного повышения температуры не происходит. Расчеты показывают, что при работе с программным управлением температура детали в зависимости от режимов шлифования превышает температуру детали при обработке с постоянной скоростью продольной подачи на (5…15) %, что составляет от 40 до 120 °С и может быть скомпенсировано известными методами. врезание глубинный шлифование деталь

На основании уравнения баланса определено изменение распределения потоков энергии при шлифовании с изменяющейся скоростью продольной подачи. Выполненный анализ уравнения баланса энергии показывает, что доля тепла, поступающего в деталь на участках врезания и выхода инструмента при изменении скорости подачи уменьшается в среднем на 15-20 %.

В третьей главе на основе проведенных исследований процесса ГШ с программным регулированием, позволивших установить взаимосвязь между параметрами, характеризующими процесс шлифования, и условиями обработки выполнен анализ показателей качества поверхностного слоя. Для практического применения ГШ с изменяющейся продольной подачей необходимо, чтобы при повышении производительности не ухудшились показатели качества поверхностного слоя. Для определения преимуществ и недостатков рассматриваемого вида обработки, необходимо изучить влияние переменных режимных параметров (глубины шлифования и скорости продольного перемещения стола ) на этапах врезания и выхода на следующие группы параметров процесса: производительность; термомеханические характеристики процесса; точность формы; физико-механическое состояние поверхностного слоя обработанных деталей.

Анализ погрешностей формы, в частности отклонение от прямолинейности обрабатываемой поверхности, основан на предположении, что все отклонения являются результатом изменения параметров процесса, происходящих в течение обработки одной детали, имеющей длину . Условие отклонения формы детали от прямолинейности принималось в следующем виде

,

где - технологический допуск на отклонение от прямолинейности; - отклонение формы, связанное с деформацией технологической системы

;

- отклонение формы, обусловленное износом абразивного инструмента; - отклонение формы, определяемое неоднородностью теплового содержания детали за период обработки

,

где - изменение составляющей силы шлифования Py за период обработки одной детали; - начальная температура детали; - средняя температура детали, накопленная за период обработки - коэффициент теплового расширения материала детали; hд - размер прогретого слоя на детали.

При сравнительном анализе точности обработки при работе по различным алгоритмам и при постоянной скорости продольной подачи для прямолинейности профиля получены следующие графические зависимости (рис. 4). Из графика видно, что алгоритм поддержания на постоянном уровне секундного съема металла позволяет добиться меньшей деформации формы детали: относительно прямолинейного профиля (100 %) отклонение составляет 40 %, в то время как при постоянной скорости продольной подачи отклонение от прямолинейности составляет 90 %.

Рис. 4 Зависимость отклонения формы из-за деформации системы: , мм; за 100% принят прямолинейный профиль; 1 - отклонение от прямолинейности при использовании алгоритма ; 2 - отклонение от прямолинейности при использовании алгоритма ; 3 - при постоянной скорости продольной подачи на всей длине обработки.

Для определения шероховатости в поперечном направлении было получено следующее уравнение

,

где - эквивалентный диаметр абразивного зерна; - вероятность последовательной работы зерен, - плотность режущих зерен 1-ой группы; - суммарная плотность режущих зерен; - вероятность углового совмещения вершин.

При проведении сравнительных расчетов при работе с изменяющейся скоростью продольной подачи на этапе врезания и выхода происходит незначительное ухудшение шероховатости (рис. 5) по сравнению с работой при постоянной скорости продольной подачи, которое не превышает 6 %.

Рис. 5 . Изменение шероховатости поверхности при работе программного регулирования:

1 - ; 2 - ; 3 - скорость постоянна; мм;

По имеющимся экспериментальным данным для обработки сплава ЖС6К, а также для ХН77ТЮР получена зависимость для определения максимальных остаточных сжимающих напряжений в поверхностном слое с учетом изменяющейся скорости продольной подачи, позволяющая учитывать основные режимные параметры, а также характеристики круга (рис. 6).

Рис.6. Максимальные сжимающие остаточные напряжения при обработке сплавов ЖС6К (1, 2) и ХН77ТЮР (3, 4): а); б)

Графические зависимости были построены для различных условий теплообмена, можно заметить, что при увеличении интенсивности охлаждения величина сжимающих остаточных напряжений также увеличивается.

В четвертой главе приводится методика оптимизации операций ГШ по максимуму производительности, определяемому штучным временем, целевая функция в случае процесса с постоянной скоростью продольной подачи записывается в виде

,

где - время рабочего и холостого хода при обработке детали на i-м проходе; - скорость подачи на i-м проходе; - скорость холостых ходов; - длина обработки детали с учетом врезания и перебега; - вспомогательное время; - время установочных вертикальных перемещений; - время правки инструмента; - количество правок за цикл обработки детали; - количество одновременно обрабатываемых деталей; - число проходов, которое определяется разбиением операционного припуска

,

где - припуск на i-м проходе.

При использовании алгоритма управления скоростью продольной подачи врезание в деталь происходит на увеличенной скорости подачи. При условии, когда длина участка врезания больше или равна длине детали, например, обработка бандажных полок, шлифование производится на скоростях, превышающих во всем диапазоне обработки скорость подачи, заданную по максимальной глубине шлифования.

Время рабочего хода может быть определено по следующей зависимости

,

где - время обработки на участке врезания или выхода;

,

 - длина j-го отрезка.

Расчет относительного времени обработки по одному из двух алгоритмов по отношению к обработке всей детали на постоянной скорости продольной подачи показывает, что, например, для длины обработки мм, производительность повышается в 2 раза (рис.6).

Рис. 6. Зависимость времени обработки от длины детали при различных алгоритмах управления и при постоянной скорости продольной подачи:

1 -; 2 - ; 3 - .

Воспроизводимость процесса ГШ по достижению заданных параметров качества поверхностного слоя детали может быть обеспечена только в случае стабильного и устойчивого протекания процесса обработки. В связи с этим важная группа ограничений обусловлена самим процессом резания и взаимодействием рабочего процесса со станком и инструментом. В данном случае основные ограничения определяются следующими параметрами:

1) предельно допустимая мощность шлифования для изменяющейся глубины резания , определяющая уровень теплового потока в деталь,

,

где - максимальное значение тангенциальной составляющей силы резания;

2) температура шлифуемой поверхности, предельно допустимая с точки зрения параметров, определяющих качество поверхностного слоя.

Ограничения, связанные с техническими требованиями точности, шероховатости и качества поверхностного слоя деталей определяются следующими основными характеристиками:

1) параметры точности изготовления детали

;

2) величина шероховатости обработанной поверхности

.

Эффективность внедрения научно-технических разработок определялась увеличением производительности процессов абразивной обработки за счет повышения скорости продольной подачи на этапах врезания и выхода круга в деталь.

В среднем повышение эффективности исследованных технологических операций выразилось в увеличении производительности в 2 раза и прямолинейности профиля на 50 %.

Общие выводы по диссертации

1 Разработаны основы программного управления скоростью продольной подачи при ГШ, позволяющие повысить производительность процесса.

2 Аналитические исследования закономерностей формирования зоны контакта абразивного инструмента с деталью на этапах врезания и выхода позволили получить систему уравнений для определения наиболее вероятных значений плотности режущих зерен, числа режущих зерен на площадке контакта и средних параметров сечения среза абразивного зерна при ГШ в условиях изменяющихся скоростей продольной подачи.

3 Решение тепловой задачи с граничными условиями 3-го рода, моделирующей температурное поле в детали на участке выхода инструмента, позволило установить характер изменения температур на поверхности детали при ГШ и определить особенности изменения баланса энергии при изменяющейся скорости продольной подачи в условиях нестационарной постановки задачи.

4 Анализ влияния программируемых изменений продольной подачи на отклонения формы детали показал, что достигается увеличение прямолинейности профиля на 50 %. Шероховатость поверхности и остаточные напряжения вдоль поверхности изменяются незначительно по сравнению с обработкой при постоянной скорости продольной подачи.

5 Разработанная методика оптимизации процесса ГШ позволила определить режимы обработки коротких деталей, соответствующие достижению наибольшей производительности при формировании заданных параметров качества поверхностного слоя детали, в число которых входят непрямолинейность поверхности, шероховатость, остаточные напряжения.

Список публикаций по теме диссертации

1 Волков, Д. И. Математическая модель механических процессов при глубинном шлифовании с автоматическим регулированием [Текст] / Д. И. Волков, Н. В. Полуглазкова // Справочник. Инженерный журнал. - 2008.- №7. - С. 7-11.

2 Полуглазкова, Н. В. Технологические резервы повышения производительности глубинного шлифования при сохранении требуемого качества деталей [Текст] / Н. В. Полуглазкова, Д. И. Волков // Проблемы качества машин и их конкурентоспособности: труды 6-й Международной научно-технической конференции. - Брянск 2008. - С. 391-392.

3 Волков, Д. И. Предпосылки использования системы автоматического управления процессом глубинного шлифования [Текст] / Д. И. Волков, Н.В Полуглазкова, // Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений: мат. Международной школы-конференции. - Рыбинск: РГАТА, 2006. - С. 214-217.

4 Рыкунов, Н. С. Метод оценки процесса деформирования поверхностного слоя при шлифовании [Текст] / Н.С Рыкунов, Д.И. Волков, Н.В. Полуглазкова // Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений: мат. Международной школы-конференции. - Рыбинск: РГАТА, 2006. - С. 150-153.

5 Полуглазкова, Н. В. Повышение производительности глубинного шлифования деталей малой длины [Текст] / Н. В. Полуглазкова // Вузовская наука - региону: мат. шестой всероссийской научно-технической конференции: в 2 т. - Вологда, ВоГТУ.- 2008. - Т. 1. - С. 255-257.

6 Рыкунов, Н. С. Некоторые особенности процесса глубинного шлифования [Текст] / Н. С. Рыкунов, Д. И. Волков, Н. В. Полуглазкова // Вестник РГАТА имени П. А. Соловьева, сер. Качество поверхностного слоя деталей при обработке абразивными и лезвийными инструментами. - Вып. №1(11). - Рыбинск, 2007. - С. 266-268.

7 Полуглазкова, Н. В. Автоматизированное управление процессом абразивной обработки [Текст] / Н. В. Полуглазкова // XXXII Гагаринские чтения: в 9 т. - Т. 2.: тез. докл. - М.; МАТИ, 2006. - С.64-65

8 Полуглазкова, Н. В. Взаимосвязь продольной подачи и производительности при глубинном шлифовании [Текст] / Н. В. Полуглазкова // XXXIII Гагаринские чтения: в 8 т. - Т. 2.: тез. докл. - М.; МАТИ, 2007. - С.117-118.

9 Полуглазкова, Н. В. Алгоритмы изменения скорости продольной подачи при глубинном шлифовании деталей [Текст] / Н. В. Полуглазкова // XXXIV Гагаринские чтения: в 8 т. - Т. 2.: тез. докл. - М.; МАТИ, 2008. - С.70- 71.

10 Сутягин, В. В. Аналитическое определение геометрических параметров сечения среза и сил резания [Текст] / В. В., Сутягин, Н. В Полуглазкова // Фундаментальные и прикладные исследования по приоритетным направлениям развития науки и техники: 2 ч. - Ч. 2. Современные технологические системы в машиностроении: тез. докл. Барнаул; 2005. - С. 41-42.

Размещено на Allbest.ru

...