Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния проблемы управления эффективностью ленточного шлифования лопаток ГТД 16
1.1 Технологические возможности ленточного шлифования 16
1.2 Моделирование ленточного шлифования лопаток ГТД 30
1.3 Исследования точности и качества поверхностного слоя при ленточном шлифовании лопаток 44
1.4 Требования к современному станочному оборудованию, к системам, моделирующим обработку, контактным элементам и инструменту, применяемому при ленточном шлифовании лопаток 53
1.5 Адаптивное управление станками с ЧПУ при абразивной обработке.. 61
1.6 Требования к системам, моделирующим механическую обработку 69
1.7 Постановка цели и задач исследования 73
Глава 2. Разработка математической модели процесса ленточного шлифования 77
2.1 Модель формирования зоны контакта инструмента с деталью при ленточном шлифовании профильных поверхностей лопаток ГТД 77
2.2 Расчет деформаций контактного элемента в процессе обработки 79
2.3 Определение градиента плотности зерен 89
2.4 Построение модели режущего инструмента 96
2.5 Моделирование процесса кинематического взаимодействия зерен абразивного инструмента и детали 99
2.6 Определения коэффициента навалов посредством моделирования в системе Deform 3 d 109
2.7 Тепловые процессы при ленточном шлифовании профильных поверхностей 115
2.8 Математическая модель силы резания единичного зерна 126
2.9 Моделирование износа и скола зерна 137
2.10 Баланс энергии при ленточном шлифовании 141
2.11 Динамическая модель при ленточном шлифовании профильных поверхностей лопаток ГТД 146
2.12 Моделирование относительных движений инструмента и заготовки в процессе формообразования поверхности детали с учетом упругих деформаций технологической системы 153
2.13 Задача о поиске оптимального положения узлов технологического оборудования при формообразовании 158
2.14 Расчет числа режущих зерен и глубины съема 167
2.15 Расчет шероховатости поверхности 170
2.16 Расчет величины остаточного гребешка 180
2.17 Выводы по главе 2 186
Глава 3. Разработка методов управления режущей способностью инструмента при ленточном шлифовании и точностью обработки 188
3.1 Способы повышения режущей способности ленточного инструмента 188
3.2 Определение способов коррекции для обеспечения точности профиля 191
3.3 Результаты исследований динамики изменения профиля лопатки ГТД с учетом влияния схемы обработки, режимов шлифования, характеристик технологического оборудования и инструмента 208
3.4 Определение условий формирования качества поверхностного слоя при ленточном шлифовании и поддержания режущей способности инструмента в процессе обработки 216
3.5 Сравнение расчетных и экспериментальных данных 223
3.6 Выводы по главе 3 225
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований ленточного шлифования лопаток ГГД 226
4.1 Оборудование и методика проведения эксперимента 226
4.2 Исследование температуры и силы при ленточном шлифовании 227
4.3 Исследование точности и шероховатости при обработке лопаток ГТД. 238
4.4 Эксперименты по определению длины контакта 251
4.5 Экспериментальное определение коэффициента демпфирования 254
4.6 Исследование качества поверхностного слоя 256
4.7 Выводы по главе 4 259
Глава 5. Методология управления процессами контактного взаимодействия инструмента и заготовки при ленточном шлифовании. Определение оптимальных условий ленточного шлифования 261
5.1 Цели адаптивного управления процессами контактного взаимодействия инструмента и заготовки при ленточном шлифовании 261
5.2 Разработка методологии адаптивного управления процессами контактного взаимодействия инструмента и заготовки при ленточном шлифовании 265
5.3 Разработка программного обеспечения реализации управления производительностью обработки 278
5.4 Определение оптимальных условий обработки для различных технологических задач. Практические рекомендации по использованию разработок в производстве 287
5.3.1 Назначение оптимальных режимов шлифования при приработке абразивных лент 288
5.3.2 Назначение оптимальных режимов шлифования с целью исправления технологической наследственности в виде неравномерного распределения припуска при управлении параметрами Vd, Vл
одновременно. Реализация технологии адаптивного шлифования 291
5.3.3 Назначение оптимальных режимов шлифования с целью
обеспечения съема припуска равномерной величины 299
5 5.3.4 Назначение оптимальных режимов шлифования с целью обеспечения требований к поверхностному слою обработанной
5.5 Выводы по главе 302
Заключение 303
Условные обозначения 306
Список литературы
- Исследования точности и качества поверхностного слоя при ленточном шлифовании лопаток
- Расчет деформаций контактного элемента в процессе обработки
- Динамическая модель при ленточном шлифовании профильных поверхностей лопаток ГТД
- Определение условий формирования качества поверхностного слоя при ленточном шлифовании и поддержания режущей способности инструмента в процессе обработки
Введение к работе
Актуальность работы. Перспективным направлением решения задачи увеличения производительности обработки, при одновременном повышении качества, надежности и долговечности изделий машиностроения является применение в производстве новых технологий, в том числе на основе абразивной обработки. К таким технологиям относится процесс ленточного шлифования лопаток ГТД на ленто-шлифовальных станках с ЧПУ, который интенсивно развивается и принимается за основу при создании так называемых высоких технологий.
Для подобных станков управляющие программы составляются с целью максимального приближения получаемого профиля к теоретическому. От этого зависят доработки на последующих операциях ручного полирования, которые должны быть полностью исключены или сведены к минимуму.
В существующем технологическом процессе шлифования операционный контроль происходит от одних и тех же технологических баз. При этом одновременно осуществляют комплексный контроль геометрических размеров профиля:
смещение профиля от корневого сечения лопатки;
смещение профилей лопатки друг относительно друга в том или ином сечении;
угла разворота профиля в каждом сечении.
Наличие жестких допусков на каждый контролируемый параметр приводит к необходимости доработки проточной части. Большое количество одновременно контролируемых параметров и последующая доработка профилей значительно увеличивают трудоемкость обработки. Основными причинами отклонения профиля лопатки от теоретического являются: влияние «технологической наследственности» - колебания припуска, созданные на предыдущей операции, которые повторяются на окончательно обработанной поверхности; износ ленты приводит к постепенному уменьшению съема материала в процессе обработки; при этом погрешность обработки по лопатке может достигать при черновом шлифовании 8 = 0,15 - 0,25 мм, при чистовом 8 = 0,05-0,1 мм; при обработке выпуклых и вогнутых участков различной кривизны изменяется площадь поверхности контакта ленты и лопатки, что приводит к изменению контактного давления при постоянном усилии прижима в диапазоне ± 20 % от номинального, а это приводит к колебаниям снимаемого припуска; инерционность подвижных узлов станка приводит к изменениям прижимающего усилия и неравномерному съему металла на участках резкого изменения траектории; при обработке прикромочных участков происходит уменьшение площади зоны контакта ввиду ограниченности заготовки, это приводит к увеличению удельного давления в зоне контакта, в результате происходит повышение глубины съема и «зарезание» кромки.
Отсутствие теории, практических рекомендаций и методик, необходимых для получения требуемой точности и качества обработанных поверхностей на многокоординатных ленто-шлифовальных станках, приводит к прямой зависимости качества обработки от квалификации оператора и обусловливает необходимость в трудоемкой доработке проточной части посредством ручного полирования.
Опыт внедрения процесса многокоординатного ленточного шлифования на ОАО «НПО «Сатурн» позволил автору сформулировать проблемы, препятствующие повышению точности и качества обработки криволинейных деталей за счет применения многокоординатного оборудования с ЧПУ:
- Отсутствует математическая модель процесса ленточного шлифования криволинейных поверхностей при нестационарных условиях обработки, в том числе отсутствуют: модель расчета температуры при дискретном представлении зоны контакта, позволяющая рассчитать распределение температуры в зоне контакта сложно
профильного контактного элемента, с учетом изменения траектории движения инст-румента и прогнозировать всплеск температур в точках реверса; динамическая мо-дель тепловых и деформационных процессов в зоне контакта во взаимосвязи с изме-нением сечения среза единичного зерна.
Не разработаны методы управления процессами контактного взаимодействия инструмента с заготовкой при ленточном шлифовании с целью получения заданных параметров обработанной поверхности методом изменения угловых координат кон-тактного элемента.
Отсутствуют динамические модели технологической системы механической обработки, позволяющие определить диапазоны ее устойчивости в зависимости от изменения входных условий обработки.
Не разработано математическое описание процесса формирования группы основных показателей качества, таких как точность, шероховатость, остаточные на-пряжения и предупреждение дефектов в виде прижогов и микротрещин, в условиях нестабильности протекания процесса обработки.
Решение данных проблем позволит повысить точность обработки, снизить волнистость и шероховатость обработанной поверхности на основе четко вырабо-танных алгоритмов управления выходными параметрами процесса ленточного шли-фования.
С помощью данных алгоритмов, представляется возможным достигнуть по-вышения точности в случае неблагоприятной технологической наследственности, т.е. при неравномерном распределении припуска по обрабатываемым поверхностям, уменьшении скорости съема материала при затуплении лент, снижении влияния инерции подвижных узлов станка на постоянство давления в зоне контакта прижим-ного ролика и заготовки. Снижение волнистости и шероховатости обработки воз-можно за счет принятия мер, уменьшающих влияние факторов, обусловленных стро-чечной схемой снятия припуска и наличием высокого давления на абразивные зерна на краю зоны контакта прижимного ролика с шлифовальной лентой, формирующего окончательно обработанную поверхность.
Реализация вышеперечисленных мероприятий и получение системы контроли-руемого изменения параметров процесса обработки, возможно только за счет управ-ления процессами контактного взаимодействия инструмента с заготовкой, а также совершенствования способов ленточного шлифования и конструкций прижимных устройств.
Таким образом, разработка методов адаптивного управления процессами кон-тактного взаимодействия инструмента с заготовкой при ленточном шлифовании ло-паток ГТД с целью получения требуемого качества изделия представляет собой акту-альную проблему, имеющую важное хозяйственное значение.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ по договору № 540/НТП-1 от 22 октября 2012 г. в рамках исполнения По-становления Правительства России № П-218 от 9 апреля 2010 г.
Целью работы является разработка и внедрение адаптивного процесса лен-точного шлифования, обеспечивающего повышение производительности и точности обработки.
Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи.
1. Разработать методологию адаптивного управления процессами контактного взаимодействия инструмента с заготовкой при ленточном шлифовании лопаток ГТД, включающую в себя моделирование основных физических явлений.
2. Разработать математическую модель процесса ленточного шлифования, содержащую: вероятностную стохастическую модель зоны контакта, учитывающую кинематику основных движений; модель элементного стружкообразования на единичном абразивном зерне с большим радиусом режущей кромки и прогрессирующим износом по задней поверхности; модель тепловых процессов при дискретном представлении зоны контакта.
-
Решить проблему адаптивного управления процессами контактного взаимодействия инструмента с заготовкой при ленточном шлифовании с целью получение заданных параметров обработанной поверхности методом изменения угловых координат контактного элемента.
-
Разработать динамические модели технологической системы механической обработки, позволяющие определить диапазоны ее устойчивости в зависимости от изменения входных условий обработки.
-
Разработать модель расчета температуры при ленточном шлифовании, позволяющей рассчитать распределение температуры с учетом изменения траектории движения инструмента.
-
Аналитически исследовать динамику тепловых и деформационных процессов в зоне контакта во взаимосвязи с изменением сечения среза единичного зерна, доказать существование всплеска температур в точках изменения траектории движения инструмента.
-
Провести исследования процесса формирования группы основных показателей качества, таких как точность, шероховатость, остаточные напряжения и предупреждение дефектов в виде прижогов и микротрещин.
Методы исследования. При решении поставленных в работе задач проводились теоретические и экспериментальные исследования, оценивалась точность и достоверность получаемых результатов. Работа выполнена на основе фундаментальных положений теории резания, пластичности, теплопроводности, а также современных положений технологии машиностроения, динамики технологических систем и трибологии с применением методов математической статистики, теории вероятностей, многофакторного планирования и регрессионного анализа.
Экспериментальные исследования проводились с использованием современных методик и аппаратуры, а также современных пакетов компьютерных программ, таких какМатсаё 14, Femlab 4, Matlab 7, Ansys, DEFORM, SIMULINK.
Теоретические положения работы подтверждены положительными результатами комплексных экспериментальных исследований, выполненных как в лабораторных, так и в производственных условиях. Достоверность теоретических положений и результатов экспериментальных исследований подтверждена внедрением и широким использованием результатов работы на ряде промышленных предприятий.
Научная новизна работы состоит в том, что разработана методология адаптивного управления процессами контактного взаимодействия инструмента с заготовкой при ленточном шлифовании лопаток ГТД, внедрение которой вносит значительный вклад в развитие экономики страны, в том числе решены важные научные задачи:
1. Разработана математическая модель процесса ленточного шлифования, содержащая: вероятностную стохастическую модель зоны контакта, учитывающую кинематику основных движений; модель элементного стружкообразования на единичном абразивном зерне с большим радиусом режущей кромки и прогрессирующим износом по задней поверхности; модель тепловых процессов при дискретном представлении зоны контакта.
-
Решена проблема управления процессами контактного взаимодействия ин-струмента с заготовкой при ленточном шлифовании с целью получения заданных па-раметров обработанной поверхности методом изменения угловых координат пози-ционирования контактного элемента.
-
Разработаны динамические модели технологической системы механической обработки, позволяющие определить диапазоны ее устойчивости в зависимости от изменения входных условий обработки.
-
Разработана модель расчета температуры при ленточном шлифовании, по-зволяющая методом конечных разностей рассчитать распределение температуры в точках изменения траектории движения инструмента.
-
Аналитически исследована динамика тепловых и деформационных процес-сов в зоне контакта во взаимосвязи с изменением сечения среза единичного зерна, доказано существование всплеска температур в точках изменения траектории движе-ния инструмента.
6. Разработано математическое описание процесса формирования группы ос-новных показателей качества, таких как точность, шероховатость, остаточных на-пряжений и предупреждение дефектов в виде прижогов и микротрещин.
Практическая значимость полученных результатов заключается в следую-щем: на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработана методология адаптации ленточного шлифования, обеспечивающая по-вышение производительности обработки при достижении заданных параметров точ-ности и шероховатости.
-
Разработаны технологические рекомендации и научно обоснована возмож-ность повышения эффективности процесса шлифования абразивными лентами за счет изменения режимов обработки и использования опорных роликов различных характеристик.
-
Предложены следующие технологические решения: устройство с пульсирую-щей зоной контакта на основе колебаний в плоскости перпендикулярной нормали к по-верхности контакта инструмента с деталью; схема снятия припуска по наименьшей по-грешности обработки, учитывающая износ ленты в процессе работы, позволяющая сни-зить затраты на режущий инструмент при сохранении заданного качества обработанных поверхностей (уменьшить неравномерность съема, снизить величину шероховатости и остаточного гребешка, исключить появление рисок на кромках лопаток).
3. Создан программно-методический комплекс компьютерных программ в
удобной для пользователя форме, позволяющий управлять процессом ленточного
шлифования с целью увеличения его эффективности.
Реализация результатов. Результаты диссертационной работы нашли практи-ческое применение при выполнении научно-исследовательских работ в отраслях авиационной промышленности. Они позволили существенно расширить область эф-фективного применения шлифования абразивными лентами при изготовлении таких деталей, как лопатки ГТД.
Материалы представлены в виде методического и информационного обеспече-ния по выбору входных технологических условий процесса шлифования с целью обеспечения требуемых выходных характеристик процесса обработки проточной части лопаток ГТД. Также предложены практические рекомендации по наиболее экономичному использованию абразивного инструмента на эластичной основе, про-ектированию приспособлений и применению схем обработки для повышения эф-фективности процесса обработки абразивными лентами.
Основные положения диссертации прошли проверку при внедрении процессов ленточного шлифования лопаток ГТД на предприятиях авиационного двигателе-строения и турбостроения, в частности при обработке лопаток ГТД на многокоординатных станках с ЧПУ на ОАО «НПО «Сатурн». Внедрены схемы шлифования с разворотом ролика на определенный угол к направлению подачи и схема шлифования с компенсацией неравномерности обработки вследствие износа ленты. Экономический эффект от внедрения результатов исследования составил более 50 млн. руб.
В работе обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных при участии автора ! за период с 2004 по 2013 годы на кафедре "Резание материалов, станки и инструменты имени С. С. Силина" Рыбинского государственного авиационного технологического университета имени П. А. Соловьева.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на Всероссийских научно-технических конференциях «Идеи молодых и новой России» Тула, 2004; «Теплофизика технологических процессов» Рыбинск, 2005; «Проблемы создания перспективных авиационных двигателей» Москва, 2005; «Мехатроника, автоматизация, управление» Уфа, 2006; на Международных научно-технических конференциях «Гагаринские чтения» Москва, 2004 -2006; на международном молодежном форуме «Будущее авиации за молодой Россией» Москва 2009; на второй всероссийской конференции «Будущее машиностроения России» Москва 2009 МГТУ им Баумана; Ш Международная научно-техническая конференция «Авиадвигатели XXI» ЦИАМ Москва 2010; на четвертой всероссийской конференции «Будущее машиностроения России» Москва 2011 МГТУ им. Баумана; на пятой всероссийской конференции «Будущее машиностроения России» Москва 2012 МГТУ им. Баумана.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 31 печатных работ в том числе 17 в центральных издания, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников и приложения. Общий объем работы 391 страниц, 147 рисунков, 9 таблиц и список используемых источников из 273 наименований.
Исследования точности и качества поверхностного слоя при ленточном шлифовании лопаток
Бесконечные абразивные ленты первоначально применяли главным образом для полирования [15,35, 91, 221]. В дальнейшем ленточное шлифование нашло широкое применение в турбостроении для шлифования деталей сложной фасонной формы, накопленный опыт послужил толчком к использованию этого процесса в других отраслях промышленности [25, 31, 72, 75, 92, 95, 103, 142-143, 147, 157, 216, 226-228, 231, 239]. В настоящее время абразивные ленты широко применяются для шлифования разнообразных деталей из жаропрочных сплавов, конструкционных сталей, цветных металлов с припуском на обработку от 0,02 до 3 мм.
Значительное применение имеет ленточное шлифование в металлургической промышленности для декоративной и размерной обработки горячекатаных крупногабаритных заготовок, труб, листов проката, прутков. Не менее широко используют гибкий абразивный инструмент (бесконечные ленты) в автомобильной и авиационной промышленности при обработке сложнопро-фильных деталей. Специфическое отличие данного вида обработки обусловлено свойствами абразивных лент - в процессе работы происходит значительное перемещение абразивных зерен от начального положения вследствие деформации упругой подложки абразивной ленты. При этом возникают процессы амортизации соударений абразивных зерен об обрабатываемую поверхность, это приводит к снижению ударно-абразивного изнашивания зерен. В процессе обработки эластичным абразивным инструментом происходит уменьшение интенсивности тепловых импульсов от ударов зерен, вследствие чего снижаются интенсивность теплового потока и температура кон 17 такта, снижается вероятность появления прижогов [35,53, 77, 134, 185, 205, 230, 236]. Также происходит увеличение площади пятна контакта инструмен-та с заготовкой в сравнении с процессом обработки жестким абразивным инструментом. Число активных абразивных зерен увеличивается в зоне контак-та. В результате деформации эластичной связки разновысотность абразивных зерен выравнивается, что приводит к снижению параметра шероховатости обработанной поверхности[35].
Процесс ленточного шлифования имеет ряд преимуществ перед процессом обработки жестким абразивным инструментом [20,. 35, 71, 104, 147, 211, 224-228,] : - однородность фракции изготовления инструмента; - меньше вероятность влияния свободных абразивных зерен на качест-во обработки, попадающих в зону контакта в связи с вырыванием их из мат-рицы инструмента; - большее время контакта и меньшая удельная нагрузка на абразивное зерно вследствие увеличения площади зоны контакта инструмента с заготов кой; - невысокая тепловая напряженность процесса шлифования; - отсутствие неуравновешенности и как следствие меньшие центробежные силы.
Отрицательными сторонами ленточного шлифования являются: отсут-ствие правки рабочей поверхности абразивной ленты при истирании и заса-ливании; снижение прочности ленты при высокой температуре; зависимость съема материала и износа ленты от сил ее натяжения. Эффективным методом повышения режущей способности абразивных лент является смена направления вращения абразивного инструмента [19, 35, 74, 228]. Контактные ролики, применяемые в ленточно-шлифовальных станках, изготовляют из упругих материалов, в частности, резины. Повышение режущей способности ленты возможно достичь за счет применения роликов с рифленым протектором. Шлифование цилиндрических деталей абразивными лентами [3, 35] позволяет достичь точности обработки до 0,01 мм, при обработке плоских поверхностей возможно достичь точности до 0,04 мм по параметрам плоскостности и параллельности. При бесцентровом ленточном шлифовании возможно достичь точности 0,01 - 0,02 мм. Обрабатывать сложные геометрические поверхности лопаток ГТД представляется возможным точностью 0,05 - 0,2 мм.
Абразивные ленты все больше применяют, там, где требуется незначительный нагрев зоны резания. Выбор режимов шлифования абразивными лентами в каждом конкретном случае зависит от формы, размеров, физико-механических свойств обрабатываемой детали. Основными видами ленточного шлифования являются плоское, фасонное, бесцентровое, наружное и внутреннее.
В технологическом процессе обработки следует предусмотреть для заданного вида шлифования необходимую точность, шероховатость обработанной поверхности и производительность.
К параметрам режима шлифования и условиям обработки относятся: характеристика режущего инструмента, его натяжение, скорость вращения ленты, форма и жесткость контактного элемента, глубина шлифования или оптимальное давление, продольная подача, смазывающе-охлаждающая среда. Гибкий абразивный инструмент характеризуют материал абразива, его зернистость и метод нанесения, материал основания и связки.
Оптимальное натяжение ленты изменяется от 1500 до 7000 Н/м в зависимости от обрабатываемого материала [3, 35], формы и жесткости контактного элемента, прочности инструмента. В зависимости от основных физико-механических свойств абразивной ленты назначают режим резания и смазы-вающе-охлаждающую среду. В отличие от шлифования жестким инструментом скорость резания абразивной лентой - величина ограниченная и находится в пределах 7 -30 м/сек; повышение окружной скорости ленты вызывает усиленный износ инструмента. Во время шлифования абразивная лента про 19 тягивается по обрабатываемой детали при прижиме к ней контактным элементом. Контактные элементы разделяются на ролики и копиры. Развитие ленточно-шлифовальных станков показывает, что в качестве контактного элемента преимущественно используют ролики. Контактные ролики, покрытые различными материалами, обеспечивают большой диапазон давления (0,07-1,5 кг/см2) при врезном шлифовании. Шлифование на проход с использованием металлических контактных роликов позволяет обрабатывать материалы с глубиной резания t=0,015 мм- 0,15 мм и подачей 1,2—10 м/мин.
Большие припуски (2-5 мм) срезают комплектом абразивных лент раз-ной зернистости (№ 50-40; № 25- 16; № 10-6), при этом желательно для черновой обработки использовать многослойные ленты. Гибкий абразивный инструмент позволяет применять для охлаждения все существующие смазывающие охлаждающие среды.
Перечисленные выше технологические особенности ленточного шли-фования присущи обработке деталей простой геометрической формы. Для деталей, имеющих сложные криволинейные поверхности, например, лопатки ГТД, применяется оборудование для ручной обработки, где точность формообразования во многом обусловлена мастерством полировщика.
В качестве альтернативы ручной обработке профиля лопаток ГТД широкое распространение получил полусвободный метод строчечного ленточ-ного шлифования [224-228]. Данный метод основан на движении обката эла-стичным абразивным инструментом криволинейной обрабатываемой поверхности и не способен исправлять погрешности обработки, возникшие на предыдущих операциях. Основная рациональная область применения данного метода сводится к улучшению качества обрабатываемой поверхности. Та-ким образом, актуальность «безразмерного» метода строчечного ленточного шлифования, как окончательного способа обработки значительно снижается [225-229]. На практике возникает острая необходимость в реализации способа обработки, позволяющего исправлять погрешности обработки, остающиеся с предыдущих операций.
Расчет деформаций контактного элемента в процессе обработки
По результатам анализа литературных источников можно сделать следующий вывод: существующие решения задач по определению температур в зоне контакта не могут полностью учесть специфику обработки на многокоординатном оборудовании с ЧПУ; расчет зоны контакта инструмента с деталью не учитывает сложную форму заготовки и контактного элемента; динамические характеристики технологической сис-темы для многокоординатного ленточного шлифования, реализуемые на многокоординатных станках, в литературе не рассмотрены.
Вывод: необходимо аналитически исследовать динамическую модель технологической системы многокоординатного ленточного шлифования, реализуемую на станках с ЧПУ с целью определения ее частотных характеристик при работе с нежесткими опорными роликами. А также разработать вероятностную стохастическую модель зоны контак-та, учитывающую кинематику основных движений; модель элементного стружкообразования на единичном абразивном зерне с большим радиу-сом режущей кромки и прогрессирующим износом по задней поверхности; модель тепловых процессов при дискретном представлении зоны контакта.
В работах [1-4, 24, 35, 89 , 90 ,162, 163, 225, 226] указывается, что полу-свободный и строчечный метод обработки абразивными лентами имеет специфические особенности, касающиеся точности и качества обработки. В ра-боте [225, 226] указывалось, что точность обработки, как правило, не повышалась и при стабильном протекании процесса остается в пределах точности, сформированной на предыдущих операциях. Шлифование крупногабаритных деталей имеет цель - улучшение шероховатости. При этом производится съем определенной величины до достижения требуемой шероховатости. При этом шероховатость связана не только с остаточными рисками, но и с образованием межстрочечных гребешков. Обеспечение условия Нг Rz (где Нг -высота межстрочечных (остаточных) гребешков) связано с уменьшением подачи на строку и тем самым с увеличением машинного времени.
Максимально возможное значение величины подачи на строку Sc при ленточном шлифовании можно определить по формуле [212], учитывающей упругие свойства контактного элемента. Очевидно, что данную формулу сложно использовать при обработке фасонных поверхностей с переменной кривизной
О точности обработки при ленточном шлифовании мы можем сделать выводы, проанализировав основную характеристику ленточного шлифования - величину съема металла в единицу времени [3, 4, 35, 162, 163, 225, 226]. В настоящий момент имеются данные, что в период приработки абразивной ленты происходит изменение выходных параметров процесс обработки [3, 4, 35, 162, 163, 212] (рисунок 21.), (рисунок 22). Продолжительность периода приработки инструмента в различных работах существенно отличается друг от друга: 4.. .5 мин [212], 8... 10 мин [47] и более [25].
Таким образом, можем констатировать, что ранее выведенные зависимости применимы только в конкретных производственных условиях и требуют проверки в каждом конкретном случая. К тому же необходимо отметить, что в ряде случаев существенное различие между теоретическими и практическими данными обусловлено технологическими особенностями изготовления современного инструмента, которые не были учтены в существующих теория ленточного шлифования.
Н/см2 [291] Характер изменения скорости съема во многом зависит и от применяемого контактного элемента, так в работе [212, 227] Ф.С. Юнусов и Ю.Я. Фельдман указывают, что объем снятого материала за 35 минут шлифования роликам твердостью 40 Hsh на 30 % больше, чем с роликом, умеющим твердость 75 Hsh. Данный факт объясняется следующим образом: в первые 5 минут обработки наибольшая производительность присуща инструменту с опорным роликам твердостью 75 Hsh, но в последующие 5... 10 минут обработки скорость съема металла падает и становится ниже, чем в случае с роликом твердостью 40 Hsh. Анализ износа лент во времени показал, что ленты с опорным роликом твердостью 40 Hsh имеют износ в 5 раз ниже. Также отмечается, что требуются дальнейшие исследования влияния соотношения размеров глубины, ширины и длинны впадин протектора контактного ролика на производительность процесса шлифования [212, 227].
Режимы шлифования оказывают, обуславливают величину съема [35, 163]. В работе [163] указывается, что при увеличение контактного усилия с 30 до 120 Н приводит к повышение глубины съема с 0,02 мм до 0,06 мм. В работе [226] имеются данные об изменении глубины съема с 0,01 до 0,06 мм при изменении контактного усилия с 10 до 80 Н (рисунок 24).
В работах данных авторов отсутствуют данные о влиянии перечисленных параметров на скорость изменения производительности съема металла ввиду потери режущей способности инструмента.
В работе [3] рассматривается управление качеством обработанной поверхности за счет выбора контактных роликов различных характеристик. Влияние твердости контактного ролика и его диаметра на шероховатость обработанной поверхности представлено (рисунок 26) [163]. Увеличение твердости и уменьшение диаметра инструмента приводит к величанию параметра шероховатости обработанной поверхности. Это объясняется ростом нагрузки на инструмент в зоне контакта, увеличением составляющих сил резания и ростом толщины среза az [3].
Изменение коэффициента Rmax/Rz в зависимости от твердости контактного ролика и его диаметра представлено на рисунок 27. Проанализировав представленные данные, можем сделать вывод, что увеличение коэффициент Rmax/Rz происходит при увеличении твердости и уменьшении диаметра контактного ролика.
Динамическая модель при ленточном шлифовании профильных поверхностей лопаток ГТД
Создание теоретической основы для решения поставленной в работе задачи прогнозирования глубины снимаемого в условия постоянного изменения входных параметров обработки связано, прежде всего, с определением процессов, происходящих в зоне контакта. Эффективное применение методологии адаптивного ленточного шлифования требует управления такими параметрами процесса, как сила резания, действующая на единичное зерно, число зерен, проходящих через единицу поверхности, и температура в зоне обработки, которые обуславливают глубину снимаемого слоя. Сложность физических явлений, происходящих в зоне контакта инструмента и детали, предполагает разработку математических моделей и проведение исследований, начиная с работы абразивного зерна.
Учитывая, что основные параметры процесса ленточного шлифования определяются состоянием рабочей поверхности ленточного абразивного инструмента, исследования зоны контакта составили главное связующее звено между тепловыми, механическими и деформационными процессами. Формирующаяся в процессе обработки зона контакта инструмента и детали не является сплошной, так как рабочая поверхность абразивного инструмента представляет собой совокупность случайным образом расположенных зерен, выступающих из связки на различную высоту и имеющих изометрическую форму. Кроме того, зона контакта инструмента постоянно изменяется под воздействием силы прижима, изменения криволинейности профиля лопатки и других факторов. Определение параметров зоны контакта представляет задачу, решение которой позволяет обосновать подход к расчетам силы резания, температуры и устойчивости процесса.
В этой работе автором предпринята попытка создать модель зоны контакта применительно к условиям ленточного шлифования криволинейных поверхностей упругим контактным элементом. Основными достоинствами данной модели являются определение геометрических параметров зоны контакта инструмента и заготовки сложной пространственной формы.
А также положительным в модели является установление связи характеристик абразивного инструмента с параметром Cv, характеризующим плотность абразивных зерен в переходном слое. Совместное решение уравнений, описывающих вероятность появления вершин абразивных зерен в переходном слое, и кинематических уравнений движения зерен в материале детали в процессе шлифования. Это позволило создать вероятностную модель зоны контакта, учитывающую характеристики абразивного инструмента, сложную форму заготовки, контактного элемента и кинематику процесса шлифования. Рассматривая кинематику движения зерен в процессе перемещения абразивной ленты, автор предполагает, что в некоторой плоскости или узком коридоре зерна движутся друг за другом, то есть одно по следу другого. Такой процесс действительно всегда имеет место. Однако, если без достаточного обоснования ширины указанного коридора попытаться перенести результаты такой плоской модели на всю ленту, можно допустить большие погрешности в определении плотности активных режущих зерен и средней глубины резания зерна. Таким образом, построение модели зоны контакта определяется установлением количества и расположения абразивных зерен, которые участвуют в резании, а для этого необходимо:
Процесс ленточного шлифования деталей, имеющих сложную пространственную форму, имеет ряд характерных отличий от процесса шлифования деталей с простой геометрической формой. Одной из основных особенностей процесса является постоянно изменяющаяся в процессе обработки площадь зоны контакта, которая зависит от геометрии заготовки, контактного элемента и деформаций контактного элемента в процессе обработки. В связи с этим моделирование процесса кинематического взаимодействия зерен в зоне контакта абразивного инструмента и заготовки сложной формы возможно только после разработки модели расчета деформаций инструмента. Данная модель должна учитывать сложную геометрию заготовки и инструмента.
Сложная геометрия заготовки и инструмента не позволяет рассчитать деформации аналитическими методами. Для решения этой задачи предлагается использовать математическое моделирование в программном пакете Deform 3d.
Для решения поставленной задачи создаем твердотельную модель заготовки и контактного ролика (рисунок 42). Твердотельная модель контактного ролика
Так как для ленточного шлифования используется широкая номенклатура зубчатых контактных роликов, различающихся по размерам, отношению ширины зубца к ширине паза, числу зубьев, углу наклона зуба, была разработана программа для автоматического создания зубчатых роликов, требуемых размеров и параметров в системе Femlab. Интерфейс программы (рисунок 43) построен на базе GUI MatLab. Создание твердотельной модели зубчатых роликов производится в следующей последовательности: - задаются требуемые размеры ролика, диаметр и ширина, создается цилиндр с этими размерами (рисунок 44 а); - задается толщина резинового слоя, требуемая толщина получается за счет вычитания из цилиндра с размерами ролика цилиндра с размерами отверстия (рисунок 44 б); - задаются требуемые размеры паза на ролике: длина, ширина и высота, создается прямоугольник с этими размерами (рисунок 44 в); - задаются количество пазов, отношение ширины зуба к ширине паза, угол наклона \/ оси паза к оси вращения ролика (рисунок 44 в);
Определение условий формирования качества поверхностного слоя при ленточном шлифовании и поддержания режущей способности инструмента в процессе обработки
Процесс ленточного шлифования остается одним из самых сложных с точки зрения моделирования тепловых явлений в процессе обработки и прогнозирования максимальных контактных температур в зоне обработки. Это вызвано существенным изменением интенсивности теплового потока q в зоне контакта, изменением теплофизических величин (к - коэффициент теплопроводности, с - удельная массовая теплоемкость), наложением тепловых полей в точках изменения направления движения инструмента.
Результаты работ не позволяют учитывать выше перечисленные особенности шлифования криволинейных поверхностей эластичным абразивным инструментом.
Вместе с тем, развитие компьютерной техники позволяет рассматривать при моделировании теплового процесса не только сложную форму заготовки и инструмента, но достаточно малые объемы, из которых собственно и состоят рассматриваемые объекты со своими теплофизическими характеристиками, зависящими от температур в любой момент времени.
Используя возможности современной вычислительной техники, автором разработана модель расчета распределения температур, позволяющая учитывать изменение теплофизических величин от температур, сложное, постоянно изменяющееся, распределение интенсивности теплового потока q, наложение тепловых полей в точках изменения движения инструмента.
В качестве реального примера для апробации предложенной модели был выбран процесс ленточного шлифования на шестикоординатном ленто-шлифовальном станке Metabo 6NC - 1000. Данный станок позволяет осуществлять обработку криволинейных поверхностей, в том числе и перо лопаток ГТД. Схема осуществления многокоординатной обработки лопатки сложной пространственной формы представлена на рисунке 89.
Следует отметить, что получение точного аналитического уравнения связано с трудностью удовлетворения граничным условиям, напротив, при помощи численного метода всегда можно удовлетворить любым граничным условиям конкретной задачи.
При расчете на исследуемое сечение тела наносится сетка вертикальных и горизонтальных линий (рисунок 91), соответственно і = 0,1,2,3.... Ік; j = 0,1,2,3....JK; p = 0,1,2,3..Рк . Точки пересечения этих линий - узловые точки сетки располагаются в центрах прямоугольников со сторонами x,y,z. Точки и линии, находящиеся на границе тела и за пределами тела, используются для формулировки граничных условий.
Частные производные при численном методе расчета заменяются приближенными конечно-разностными эквивалентами, а уравнение (44) записывается в виде выражения (46). Значения i, j, р в уравнении (46) обозначают номера интервалов пространства вдоль осей X, У, Z , а индекс к - номер интервала времени т. Уравнение в конечных разностях позволяет определить температуры во всех внутренних узлах сеточной области. коэффициент теплопроводности материала соответствующий интервалу времени к, определялся для титановых сплавов при помощи выражения (49), м2/с; Wi.i,p )- коэффициент теплоемкости материала, соответствующий интервалу времени к, определялся для титановых сплавов при помощи выражения (50), Дж/(кг-С0);
Адекватность зависимостей (49) и (50) оценивалась коэффициентом корреляции, равным 0.988 и 0.98 соответственно. Из анализа литературных данных видно, что зависимость Л(в) имеет сложный вид. В одних случаях происходит рост величины Л(в) с увеличением в, в других уменьшение, причем темп изменения Л(в) разный на разных участках температур.
Вычислительный эксперимент, проведенный для следующих исходных данных Pz =150 Н, S = 375 мм2, Н=25 мм, гладкий ролик диаметром 150мм, Vp = 10 м/с, Уд = 5 м/мин, а0 = 5000 Вт/(м2- С), tf,=2000 Вт/(м2- С), показал, что разность максимальных температур, рассчитанных для случая с постоянными теплофизическими величинами а(320)= 4-Ю"6 м2/с, /1(320)=11 Вт/(м- С) и изменяемыми, рассчитанными с использованием формул (49) и (50), составляет 10%.
На практике при обработке лопаток с постоянном усилием прижима на многокоординатных станках с ЧПУ, по схеме, показанной на рисунке 89, часто возникает проблема с возникновением прижогов в точках изменения траектории движения инструмента. Это обусловлено рядом причин: смещением максимума температур к краю зоны контакта, наличием паузы в момент реверса движения. Рассмотрим прогрев точки В на лопатке (см. рисунок 92).
В интервал времени тх, когда ролик с абразивной лентой переходит из положения 1 до положения 2 тепловой источник воздействовует на точку В, далее в точке смены направления движения (положение ролика 2 см. рисунок 92). Ввиду инерционности оборудования, тепловой источник приостанавливается и в течение промежутка времени тос воздействует на точку В, после остановки тепловой источник будет двигаться в противоположном направлении навстречу ранее прогретым участкам заготовки и воздействовать на точку В течение промежутка времени т2=т1, пока не достигнет положения 1. Решение задачи определения максимальных контактных температур с учетом изменения траектории движения инструмента аналитическими методами весьма трудоемко.
С использованием метода конечных разностей удалось получить изменение температур в точках А, В, С (рисунок 93) в течение времени, которое требуется для перемещения инструмента с середины пера лопатки до краевой точки и обратно при следующих исходных
Зависимость температур от скорости перемещения теплового источника для исходных данных Pz =150 Н, S = 375 мм2, Н=25 мм, Ул = 10 м/с, Уд = 0.5-10 м/мин, а0 = 5000 Вт/(м2- С), а = 2000 Вт/(м2- С), тос = 0.3с, приведена на рисунке 94. На рисунке 94 приняты следующие обозначения: 1 - максимальная контактная температура в момент входа в краевую область ВС, 2 -максимальная контактная температура в момент выхода инструмента из краевой области ВС, 3 - максимальная контактная температура в точке А в момент выхода инструмента из краевой области ВС. Сравнение экспериментальных данных с данными вычислительного эксперимента показало расхождение не более 15%.
