Введение к работе
Актуальность темы. При обработке изделий сложной конфигурации, изготовленных из таких материалов, как керамика, ситаллы, твердые сплавы и т.д., широко применяется профильное алмазное шлифование высокостойкими кругами на металлических связках.
Наиболее эффективным методом получения фасонных алмазных шлифовальных кругов на металлических связках является глубинный электроэрозионный метод.
На эффективность процесса электроэрозионного профилирования алмазного инструмента оказывает влияние большое количество факторов, поэтому для достижения максимальной производительности профилирования, обеспечения заданной точности и стабильности необходимо управлять параметрами, от которых в большей степени зависит качество рассматриваемого процесса. Наряду с этим существующие системы управления электроэрозионной обработкой не обеспечивают заданных показателей качества процесса глубинного электроэрозионного профилирования, так как не учитывается ряд важных факторов, например наличие в обрабатываемой детали нетокопроводящих включений (алмазных зерен), оказывающих существенное влияние на данный процесс.
Таким образом, задача повышения эффективности операций профильного алмазного шлифования путем управления качеством формообразования алмазно-абразивного инструмента является актуальной.
Цель работы - повышение стабильности и производительности процесса электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов путем автоматизированного экстремального управления режимами обработки.
Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи:
1) построить математические модели процесса электроэрозионного профилирования и провести их верификацию по результатам экспериментов;
2) установить закономерности процесса профилирования, оказывающие влияние на его стабильность и производительность, а также позволяющие осуществлять автоматизированное управление его параметрами;
3) обосновать выбор алгоритмов управления процессом электроэрозионного профилирования и разработать методики расчета технологических режимов этого процесса, позволяющие повысить его стабильность и производительность;
4) провести экспериментальные исследования влияния предлагаемых режимов электроэрозионного профилирования алмазно-абразивного инструмента и алгоритмов управления на эффективность профильного алмазного шлифования;
5) на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований модернизировать технологическое оборудование и разработать автоматизированную систему управления.
Объект исследования - процесс глубинного электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов.
Предмет исследования - моделирование, алгоритмизация и автоматизация управления процессом электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов с целью его интенсификации и стабилизации.
Методы исследований. Исследования проводились на базе современной теории управления и автоматизации технологических процессов, технологии машиностроения, теории шлифования и электроэрозионной обработки, теории вероятностей и математической статистики, моделирования, численных и экспериментальных методов.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена математическими доказательствами, цифровым моделированием, сходимостью теоретических и экспериментальных исследований, а также практической реализацией разработанных систем управления.
Научная новизна:
по специальности 05.13.06:
1) установлена экстремальная зависимость средней мощности от величины межэлектродного промежутка, позволяющая обоснованно выбрать алгоритм управления подачей профилирующего электрода, для достижения максимальной величины средней мощности, что обеспечивает интенсификацию и стабилизацию процесса электроэрозионного профилирования;
2) разработаны математические модели процесса электроэрозионного профилирования, учитывающие его электродинамические и технологические особенности, используемые для алгоритмизации и автоматизации управления этим процессом;
по специальности 05.02.07:
1) установлено квазипериодическое расположение алмазных зерен на рабочей поверхности алмазного круга и предложен алгоритм фазовой синхронизации частоты вращения круга с частотой генератора технологических импульсов, позволивший стабилизировать процесс электроэрозионного профилирования;
2) разработана методика расчета параметров технологических импульсов на основе вычисления среднего расстояния между алмазными зернами по характеристикам шлифовальных кругов и даны рекомендации по выбору режимов процесса профилирования, обеспечивающие повышение режущих свойств у алмазно-абразивного инструмента.
Практическая ценность.
-
Предложенный алгоритм экстремального управления подачей профилирующего электрода из условия достижения максимальной величины средней мощности, выделяемой в межэлектродном промежутке, позволяет повысить производительность процесса электроэрозионного профилирования.
-
Предложенный алгоритм фазовой синхронизации частоты генератора технологических импульсов с частотой вращения алмазного круга стабилизирует технологические параметры процесса электроэрозионной обработки алмазных кругов.
-
Разработанная модель процесса электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов позволяет осуществить выбор режимов профилирования, обеспечивающих повышение точности и производительности процесса обработки.
-
Разработанная система автоматизированного управления установкой для глубинного электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов позволяет стабилизировать и интенсифицировать процесс глубинного электроэрозионного профилирования.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты
работы внедрены в производство на ФГУП ФНПЦ «ПО Старт
им. М. В. Проценко», что позволило повысить производительность изготовления фасонных твердосплавных инструментов в 1,2-1,5 раза, а фасонных деталей основного производства из керамики и магнитных сплавов - в 1,3-1,8 раза за счет достижения высоких режущих свойств алмазного инструмента после его профилирования и повышения точности и стойкости алмазного круга.
Работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы 2009-2012 г.» № 01200952070 в соответствии с планами госбюджетной научно-исследовательской работы Пензенского государственного университета и поддержана грантом «У.М.Н.И.К.» (в 2010 г.) Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
На защиту выносятся:
по специальности 05.13.06:
1) экстремальная зависимость средней мощности от величины межэлектродного промежутка, которая обеспечивает увеличение скорости профилирования, а также интенсификацию и стабилизацию процесса путем экстремального управления;
2) математические модели процесса электроэрозионного профилирования, учитывающие его электродинамические и технологические особенности, используемые для алгоритмизации и автоматизации управления этим процессом;
по специальности 05.02.07:
1) квазипериодическое расположение алмазных зерен на рабочей поверхности алмазного круга, позволяющее обоснованно подойти к выбору параметров разрядных импульсов, синхронизируя их частоту и длительность с частотой вращения алмазного круга;
2) методика расчета параметров технологических импульсов на основе вычисления среднего расстояния между алмазными зернами по характеристикам шлифовальных кругов и рекомендации по выбору режимов процесса профилирования, обеспечивающие повышение режущих свойств у алмазно-абразивного инструмента.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на девяти конференциях различного уровня, в том числе на Всероссийском форуме «Наука и инновации в технических университетах» (Санкт-Петербург, 2008, 2011), Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2009), Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2009, 2010, 2012), Международной научно-практической конференции «Формообразование и обеспечение качества техногенных систем» (Пенза, 2009), XXIX Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Датчики и системы» (Пенза, 2010), Молодежном научно-инновационном конкурсе «У.М.Н.И.К.» (Пенза, 2009), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и студентов Пензенского государственного университета (2008–2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК РФ (без соавторов 4 работы).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 115 наименований, и приложения. Объем работы - 207 страниц машинописного текста, включая 97 рисунков и 19 таблиц.
