Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследования 8
1.1 Место алмазного выглаживания в системе ППД. Способы повышения его эффективности 8
1.2 Особенности формирования поверхностного слоя при алмазном выглаживании 12
1.3 Исследования в области динамики процесса алмазного выглаживания 18
Глава 2. Обоснование динамической модели процесса выглаживания 26
2.1. Постановка задачи построения математической модели динамики 26
2.2. Математическое моделирование подсистемы выглаживающего инструмента. 30
2.2.1. Идентификация матрицы упругости 34
2.2.2.Математическое моделирование и идентификация параметров матриц инерционных и скоростных коэффициентов 39
2.3. Обоснование и идентификация параметров динамической связи, формируемой процессом выглаживания 51
2.3.1. Постановка задачи 51
2.3.2. Идентификация функций сближения 54
2.3.3. Влияние изгибных деформаций подсистемы инструмента на функции сближения и матрицы динамической жесткости процесса 77
2.4. Идентификация функциональных матриц скоростных коэффициентов и динамической системы в целом 83
2.5. Выводы 91
Глава 3. Изучение устойчивости процесса выглаживания и формируемых многообразий 93
3.1. Механизмы потери устойчивости системы выглаживания 93
3.2. Изучение устойчивости и формируемых многообразий на основе прямого цифрового моделирования 98
3.3. Экспериментальное изучение вибраций выглаживающего инструмента 116
3.3.1. Качественный анализ возмущений, действующих на систему 116
3.3.2. Экспериментальное изучение вибрационных характеристик процесса выглаживания 120 3.4. Выводы 128
Глава 4. Выбор параметров динамической системы выглаживания для повышения его эффективности 131
4.1. Определение рациональных значений диаметра алмазного наконечника 131
4.2. Определение рациональных значений технологических режимов 139
4.3. Способ настройки динамической системы выглаживания по вибрационным характеристикам 149
4.4. Совершенствование выглаживающего инструмента. Алгоритм его настройки 153
4.5. Пример анализа эффективности процесса выглаживания на основе управления его динамикой 158
4.6.Выводы 163
Заключение. Общие выводы. 164
Библиографический Список 169
- Особенности формирования поверхностного слоя при алмазном выглаживании
- Обоснование и идентификация параметров динамической связи, формируемой процессом выглаживания
- Экспериментальное изучение вибраций выглаживающего инструмента
- Определение рациональных значений технологических режимов
Введение к работе
Актуальность работы. Обеспечение изготовления деталей, удовлетворяющих требуемому качеству, является одной из основных задач машиностроительного производства. В связи с повышением требований к качеству таких деталей, все более широкие перспективы применения, на завершающей стадии технологического процесса изготовления, приобретает операция алмазного выглаживания. Этот способ обработки обеспечивает благоприятное, с позиции эксплуатационных свойств, сочетание параметров шероховатости, микротвердости, величины и характера распределения технологических остаточных напряжений при изготовлении широкого круга ответственных деталей. Таких как штоки, валы, оси и др., выполняемых, как правило, из высокопрочных сталей, и работающих в условиях высоких скоростей, повышенного износа и циклических нагрузок. Исследованию процесса алмазного выглаживания посвящены работы Я. И. Барац, В. Ю. Блюменштейна, В.М. Кузнецова, И. И. Мамаева, А. И. Маркова, Д. Д. Папшева, В. М. Смелянского, В. М. Тор-било, Л. А. Хворостухина, Г. И. Чекина и др. Однако в этих работах практически отсутствуют системные исследования динамики алмазного выглаживания, в которых рассматривается единство проблем устойчивости траекторий движения алмазного инструмента, его возмущений, выбора параметров инструмента и технологических режимов, основанных на особенностях динамики. Диссертационное исследование посвящено анализу и синтезу динамических и конструктивных параметров инструмента, а также управлению динамикой алмазного выглаживания в единстве обеспечения устойчивости и управления реакцией системы на кинематические и силовые возмущения с целью повышения качества изготовления деталей, прежде всего, улучшения шероховатости. Этот тезис определяет актуальность темы диссертационного исследования.
Степень разработанности проблемы. Несмотря на большое количество исследований, посвященных обработке методом выглаживания, до
настоящего времени практически отсутствуют работы, в которых рассматриваются проблемы его динамики в единстве устойчивости и возмущенного движения. Вопросы динамики процесса выглаживания ограничены исследованиями Кузнецова В.М., Горгоца Г.Г. и других. Кроме этого, частично, без раскрытия механизмов потери устойчивости, динамика процесса выглаживания затронута в работе Бобровского Н.Н. В этих работах потеря устойчивости процесса связывается с гистерезисными характеристиками формирования сил контактного взаимодействия при движении наконечника в сторону заготовки и от неё. Во-первых, все исследователи отмечают, что при определенных усилиях нормального давления наблюдается потеря устойчивости и в системе развиваются автоколебания. В этом случае на поверхности обрабатываемой заготовки формируются регулярные следы, величина которых может превышать величину шероховатости исходной поверхности. Во-вторых, при малых силах контактного взаимодействия объем пластической деформации в области контакта алмазного наконечника с обрабатываемой заготовкой не позволяет сгладить те исходные микронеровности, которые существуют на необработанной поверхности. Поэтому все исследователи отмечают существование оптимальных значений внешних сил, при которых эффективность процесса максимальна. Наконец, процесс выглаживания сопровождается некоторым силовым шумом. Он обусловлен, например, периодическими изменениями рельефа поверхности обрабатываемой заготовки. На силовой шум оказывают также влияние особенности пластической деформации в зоне контакта, которая связана с периодическим формированием поверхностей скольжения в приповерхностной области. Наконец, на динамику процесса оказываю влияние параметры инструмента.
Проблемы устойчивости, формируемых в окрестности равновесия многообразий и возмущенного движения, а также выбор рациональных технологических режимов и параметров инструмента, при алмазном выглаживании, характеризуют дальнейшую стадию совершенствования знаний о процессе,
что определяет место исследований диссертации.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности процесса алмазного выглаживания за счет управления его динамическим качеством. Под эффективностью понимается, прежде всего, шероховатость поверхности. Для достижения этой цели решаются следующие задачи:
-
Разработать математическую модель процесса выглаживания, учитывающую динамику взаимодействия подсистем алмазного инструмента и обрабатываемой заготовки через динамическую связь, формируемую процессом.
-
Разработать методику и выполнить параметрическую идентификацию динамической модели.
-
Изучить условия и механизмы потери устойчивости траектории формообразующих движений.
-
Выполнить изучение многообразий, формируемых в окрестностях траектории формообразующих движений и их влияние на параметры качества процесса выглаживания.
-
Выполнить экспериментальные исследования спектральных характеристик процесса в зависимости от постоянных сил прижима индентора к заготовке и глубины внедрения алмаза в поверхность детали.
-
Разработать метод диагностирования качества и настройки технологической системы процесса по вибрационным характеристикам.
-
Предложить основные этапы выбора конструктивных и параметрических особенностей инструмента для алмазного выглаживания, адаптированную к заданным условиям обработки.
-
Выполнить опытно-промышленную проверку эффективности динамической настройки системы алмазного выглаживания.
Объектом исследования является динамическая система процесса алмазного выглаживания, представляющая совокупность взаимодействующих через процесс обработки подсистем инструмента и заготовки, а также формируемый в процессе микрорельеф поверхности.
Предметом исследования являются факторы, влияющие на состояние
равновесия системы выглаживания, механизмы потери устойчивости траекто-5
рий формообразующих движений, а также возмущенное движение алмазного наконечника. Все эти факторы дополнительно рассматриваются под углом зрения формируемого при алмазном выглаживании микрорельефа поверхности, а также конструктивных особенностей инструмента.
Методы исследования. Теоретические исследования базировались на основных положениях теории колебаний, нелинейной динамике систем с конечным числом степеней свободы, теории дифференциальных уравнений, исследованиях процессов поверхностно пластическим деформированием, а также на математическом моделировании на ЭВМ.
Экспериментальные исследования, выполненные на токарном станке, снабженном необходимыми измерительными преобразователями, связанными с ЭВМ, основаны на методах экспериментальной динамики.
Научная новизна диссертационного исследования.
-
Предложена и исследована математическая модель процесса выглаживания с учетом взаимодействия подсистем алмазного инструмента и заготовки через динамическую связь, формируемую процессом. На ее основе выявлены механизмы потери устойчивости, определены зависимости устойчивости от технологических режимов и конструктивных и параметрических свойств инструмента.
-
Изучена структура сил, формируемых в системе выглаживания, в том числе показано, что в процессе обработки естественным образом в зависимости от параметров динамической связи формируются диссипативные или ускоряющие, гироскопические и циркуляционные силы, определяющие различные механизмы потери устойчивости.
-
Определены факторы, приводящие к потере устойчивости системы, предложена математическая модель, позволяющая изучать их влияние на траектории формообразующих движений.
-
Получены и проанализированы многообразия, формируемые в окрестностях траекторий формообразующих движений, и их влияние на параметры
качества процессов выглаживания.
-
Проанализированы факторы, возмущающие равновесие системы, среди которых рассмотрены кинематические, определяемые точностью станка; силовые, обусловленные самим процессом пластического деформирования и вариациями геометрии орабатываемой детали. Раскрыты закономерности преобразования этих возмущений в траектории движения вершины инструмента относительно обрабатываемой детали.
-
Изучены спектральные характеристики процесса выглаживания для различных технологических режимов, при варьировании параметров инструмента и условий обработки, позволившие предложить критерий настройки инструмента по сигналу виброакустической эмиссии.
Практическое значение диссертационного исследования.
-
Установлена связь параметров динамической системы процесса выглаживания с технологическим режимом (величина внедрения инструмента в заготовку, скорость выглаживания, величина продольной подачи).
-
Предложены рациональные параметры и конструктивные характеристики инструментов для алмазного выглаживания.
-
Разработан метод диагностирования качества и настройки технологической системы по вибрационным характеристикам.
-
Повышение эффективности процесса проиллюстрированы на примере выглаживания на станке Haas ST-20SSY поверхности вала опорного подшипника скольжения гентри компьютерного томографа (материал UNS-G51400, исходная шероховатость Ra=2,8 мкм). Усовершенствованный процесс внедрен на предприятии ЗАО «ДИАЛАЙН». Удалось гарантированно получать поверхность обрабатываемой детали с величиной микронеровности не выше Ra=0,15 мкм, что соответствует функциональным назначениям изделия.
Достоверность результатов исследований основывается на положениях теории устойчивости, теории колебаний и станковедения. Адекватность моделей динамики процесса обосновывается использованием основанных на методах экспериментальной динамики алгоритмах и методиках идентификации
параметров математических моделей, а также на сравнении результатов расче-7
тов с имеющимися данными по потере устойчивости и собственном сравнении теории с экспериментами.
Все исследования выполнены на кафедре «Автоматизация производственных процессов ДГТУ» на основании задания №2014/38 на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания Минобрнауки России (код проекта: 2964), а также по гранту РФФИ № 14-08-00206.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ (из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Результаты исследований представлены на 175 страницах основного текста, включающего 99 рисунков. Библиографический список диссертации из 102 наименований.
Особенности формирования поверхностного слоя при алмазном выглаживании
Наряду с отмеченными достоинствами, алмаз обладает невысокой теплостойкостью. Это накладывает ограничения при назначении элементов режима обработки (усилия деформирования и скорости выглаживания) и является причиной сравнительно невысокой производительности алмазного выглаживания.
Рабочая поверхность выглаживающих инструментов выполняется обычно в виде цилиндрической поверхности, сферы, кругового тора или конуса. Инструмент со сферической формой заточки позволяет обрабатывать наружные, внутренние и плоские поверхности как методом выглаживания, так и вибровыглаживанием. Цилиндрическую форму применяют только для обработки наружных цилиндрических поверхностей. Тороидальная форма широкого применения не нашла из-за необходимости использования природных и синтетических алмазов большого размера [22].
Для интенсификации процесса и повышения качества поверхности обрабатываемой детали в настоящее время используются такие способы как алмазное вибровыглаживание, алмазное микровыглаживание, силовое и ударно-силовое выглаживание, ультразвуковое алмазное выглаживание.
Алмазное вибрационное выглаживание [26] используется, в основном, для обеспечения требуемых геометрических характеристик микрорельефа обрабатываемой поверхности. В отличие от обычного алмазного выглаживания, этот способ позволяет создавать регулярный микрорельеф за счет дополнительного осциллирующего движения вдоль оси заготовки и управлять некоторыми параметрами микрорельефа (радиус закругления выступов и впадин, число их на единицу площади, расположение друг относительно друга). В процессе вибровыглаживания алмазный наконечник непосредственно или через переходную втулку закрепляется в шпинделе виброголовки при помощи цанги [26]. При этом возвратно-10 поступательное движение алмазного наконечника с малой амплитудой обеспечивается эксцентриком с приводом от электродвигателя или электро-магнитом.Варьируя элементами режима вибровыглаживания, можно получить систему синусоидальных, выдавленных алмазом, канавок. Высокая эффективность вибровыглаживания обусловлена возможностью обеспечения малых высотных параметров шероховатости при упрочнении, нанесения регулярной сетки канавок на поверхностях различных заготовок. Усилие деформирования при этом, благодаря меньшей площади контакта обрабатывающего инструмента с заготовкой, на порядок меньше сил при поверхностном обкатывании роликом или шариком, что особенно важно при поверхностно-пластическом деформировании тонкослойных металлопокрытий и тонкостенных изделий. Основным недостатком является необходимость дорогостоящей модернизации оборудования для осуществления способа.
Алмазное микровыглаживание используется для упрочнения миниатюрных заготовок диаметром 1 ... 5 мм [20]. Обработка осуществляется с усилиями деформирования U 100 Н - значительно меньшими, чем при обычном алмазном выглаживании. Это достигается применением специального микровыглаживающего инструмента, изготавливаемого с радиусом рабочей части 0,1 мм.
При силовом выглаживании с целью увеличения производительности применяют инструмент с большим радиусом алмаза [22], что позволяет обрабатывать с большей скоростью подачи. При этом для получения требуемого качества поверхностного слоя обработанной детали возникает необходимость в увеличении значения усилия деформирования по сравнению с усилиями, используемыми при традиционном алмазном выглаживании. Фактором, ограничивающим применение силового алмазного выглаживания, являются ограничения, связанные с недостаточной жесткостью заготовки. При силовом выглаживании, как правило, в динамической системе формируются автоколебания, которые не только влияют на качество формируемой поверхности, но и может приводить к выкрашиванию алмаза
или усталостному разрушению связки. Ультразвуковое алмазное выглаживание применяется в тех случаях, когда необходимо получить более высокие показатели упрочнения поверхностного слоя - микротвердость поверхности, величину и глубину залегания сжимающих остаточных напряжений по сравнению с традиционным (безультразвуковым) алмазным выглаживанием. Обработка осуществляется на том же оборудовании, тем же инструментом, что и при обычном алмазном выглаживании. Наложение ультразвуковых колебаний на инструмент способствует уменьшению усилий деформирования (U 100 Н), что позволяет осуществлять обработку нежестких заготовок и заготовок с покрытиями, а при условии наличия соответствующей оснастки, метод позволяет создавать регулярный микрорельеф на поверхности заготовок [6]. Однако при реальном внедрении такого способа, как правило, возникает противоречие между требованиями к акустической системе и сложными геометрическими характеристиками обрабатываемой заготовки. Кроме этого за счет реакции со стороны заготовки необходимо обеспечивать автоматическую подстройку частоты ультразвукового генератора к изменяющейся частоте акустической системы. При этом пучность колебательных смещений переходит из зоны контакта. Более того в зоне контакта может формироваться пучность напряжений. В этом случае вводимые ультразвуковые колебания лишь ухудшают условия обработки, прежде всего износостойкость алмазного инструмента.
Обоснование и идентификация параметров динамической связи, формируемой процессом выглаживания
В данном параграфе рассмотрим вопрос моделирования динамической связи, формируемой процессом выглаживания. Эта связь показывает изменения сил контактного взаимодействия в зависимости от траекторий движения вершины алмаза относительно образца. Она задается траекторией суппорта, определяемой значениями его скоростей перемещенияк3(Х03)5 и (Х03), скоростью выглаживания vp(X03), а также внешними силами N(X03), определяемыми предварительным сжатием пружины, соединяющей наконечник с корпусом инструмента. При обработке детали неизменного диаметра и при постоянной скорости выглаживания движение характеризуется скоростью продольного перемещения суппорта V3(X03) (рис. 2.
12). Если диаметр обрабатываемой заготовки остается неизменным и жесткость заготовки на порядок превышает жесткость инструмента, то в установившемся состоянии силы контактного взаимодействия определяются: величиной подачиsp и глубиной . В свою очередь, текущие значения подачи и глубины зависят от припуска, деформаций вершины гладилки и технологических режимов 0) и tF0). Под технологическими режимами мы будем понимать режимы, задаваемые траек ториями перемещения исполнительных элементов станка. Они отличаются от текущих значений припуска и подачи на величину упругих деформационных смещений.
Причем, основная составляющая сил образуется в плоскости, проходящей через направление скорости выглаживания и ось, нормальную к образующей поверхности (рис. 2.13). Так как при выглаживании обычно подача и глубина выглаживания есть величины малые, то смещением вектора скорости за счет скорости подачи можно пренебречь и динамическую систему рассматривать в плоскости, нормальной к оси вращения заготовки. При изучении динамической характеристики процесса выглаживания ограничимся случаем обработки заготовки неизменного диаметра при постоянных технологических режимах. В этом случае в установившемся состоянии S(p) = const и 40) = const Предварительное изучение сил контактного взаимодействия, характерное для рассматриваемого процесса, позволяет сделать вывод в том, что составляющие силы F3 на порядок меньше, чем в направле ниях X1 и X2 . Это обусловлено тем, что процесс выглаживания происходит при малых подачах на оборот.
T - вектор-функция, определяющая динамическую связь, формируемую процессом выглаживания; т, h, с - соответственно матрицы динамических диссипативных и упругих параметров подсистемы инструмента, подробно рассмотренные ранее в предыдущем параграфе. Таким образом, в настоящем параграфе рассмотрим вопрос идентификации динамической связи, формируемой процессом выглаживания, то есть
Назовем функциональные зависимости сил от сближения поверхностей инструмента и заготовки в установившемся состоянии (при — = — = 0) функциями сближения. Сближение поверхности наконечника с обрабатываемой заготовкой есть не что иное, как его внедрение в заготовку. На рис. 2.12 оно обозначено tP. Это текущее значение глубины внедрения индентора в поверхность заготовки. Для пояснения смысла динамической характеристики процесса выглаживания, и, в частности, функции сближения, примем во внимание, введенные ранее, две системы координат: внешнюю Х(0) = {Х10,Х20,Х30}ти внутреннюю X = {Х1,Х2,Х3}Г. Кроме этого, пусть задана координата поверхности заготовки по отношению к оси ее вращения Х(0,1) =Ф{Х30,а}, которая задается введенной в рассмотрение геометрической функцией, показывающей зависимость радиуса обрабатываемой детали вдоль оси ее вращения и угла поворота. Эта характеристика задает геометрическую топологию поверхности заготовки, из которой можно получить все оценки геометрической точности и микрорельефа.
Будем рассматривать координаты в плоскости, нормальной к оси вращения заготовки «0,01» (рис. 2.14). В этом случае внешняя система координат, как уже отмечено, характеризует положение вершины х0 ={х01,х02}т, которая отсчитыва ется от оси вращения заготовки, как показано на рис. 2.14. Вторая система координат х = {х1,х2}тхарактеризует упругие деформационные смещения вершины алмазного наконечника. При этом рассматривается установившееся состояние. В этой системе координат задается точка равновесия системы х(ш) ={х(1 ) ,х(2)}т. Тогда линеаризованное уравнение в вариациях относительно х(ш) = {х1( ) ,х2ш)}т позволяет исследовать устойчивость точки равновесия.
В частности, если значение радиуса х(0,1) = R = const ,режимы неизменны, то и положение инструмента по отношению к оси заготовки постоянно в установившемся состоянии. То есть Х0,1 = const, Х0,2 = const, а также X1(m) = const, Х(2) = const. Сама же точка начала координат движется вдоль оси с постоянной скоростью v3 = const. Поэтому функции сближения характеризуют зависимость сил F1 и F2 от внедрения tp для установившегося состояния. время одного оборота заготовки; v3 (t) - текущее значение скорости упругих деформационных смещений вершины наконечника инструмента по отношению к суппорту; X (t) - точка равновесия динамической системы выглаживания в подвижной системе координат. Условие tp = const при неизменных внешних траекториях справедливо, если R = const. Полученные условия определяют стратегию экспериментального определения функций сближения, которые позволяют представить установившиеся силы в координатах состояния. Прежде, чем переходить к экспериментальному определению функций сближения, рассмотрим принципиальные закономерности изменения сил контактного взаимодействия, полагая, что силы контактного взаимодействия определяются площадью фактического контакта поверхности наконечника с шероховатой поверхностью. Для качественного анализа на первом этапе удобно рассмотреть площадь, которую пересекает поверхность наконечника инструмента с обрабатываемой поверхностью. В этом случае вначале удобно ввести в рассмотрение характеристику вероятности превышения уровня поверхности наконечника. Схема вычисления этой характеристики для плоского и круглого наконечников различных диаметров приведена на рис. 2.15. Численное значение вероятности превышения уровня можно определить по выражению (рис. 2.15)
Экспериментальное изучение вибраций выглаживающего инструмента
Для анализа влияния периодических движений на качество поверхности необходимо знать траекторию движения вершины алмазного наконечника в плоскости, нормальной в оси заготовки. Траектория движения зависит от матриц жесткости подсистемы инструмента. Например, если увеличивать жесткость в отжимающем направлении, то траектория будет меняться. На рис. 3.15 приведен пример преобразования такой траектории в случае, если жесткость возросла по сравнению с рис. 2.14 в три раза, а на рис. 3.16 – в пять раз.
Ситуация принципиально изменяется, если формируется дополнительная связь по деформационным смещениям в направлении X2. В связи с этим выполнено цифровое моделирование динамики системы для второй базовой модели. Блок схема в программном комплексе «Симулинк» для этой модели приведена на рис. 3.17. Здесь, в отличие от блок-схемы, приведенной на рис.3.1, введены дополнительные связи от координаты X2. Эти связи рассматриваются согласно (2.50) пропорциональными деформационному смещению в направлении X2. Кроме этого, запаздывающие аргументы по силам различных направлений представляются в виде первой базовой динамической модели.Здесь за счет образования положительной обратной связи область устойчивого состояния равновесия существенно уменьшается. Для случая, приведенного на рис. 3.6, она трансформируется в область, данную на рис. 3.18. На приведенной иллюстрации, область, в которой положение равновесия системы неустойчиво, является затемненной. На иллюстрации, как и ранее, приведены точки, для которых показаны ниже диаграммы переходных процессов в виде проекций изображающей точки в пространстве состояния на различные плоскости (рис. 3.19 – рис. 3.27). Что касается формируемых в окрестностях рассматриваемых точек равновесия многообразий, то во всех случаях в системе образуются асимптотически устойчивые предельные циклы, то есть автоколебания.
Таким образом, при потере устойчивости в системе, как правило, устанавливаются одночастотные автоколебания, которые оставляют регулярные следы на обрабатываемой поверхности. Приведенные результаты цифрового моделирования динамической системы не принимают во внимание дополнительные возмущения, которые, взаимодействуя с динамической системой выглаживания, «окрашивают» установившиеся упругие деформационные смещения. Поэтому остановимся на экспериментальном изучении вибрационных последовательностей выглаживающего инструмента.
Во-первых, они зависят от точности станка, которая влияет на вариации скоростей исполнительных элементов, а также координат движения в направлении, ортогональном к направлению подвижности исполнительного элемента. Это кинематические возмущения. На рис. 3.28 приведен пример реализации изменения величины подачи на оборот при продольном выглаживании цилиндрической поверхности из стали 1Х18Н9Т. Реализация построена на основе наблюдения за скоростью подачи К2 () = V0 + VI ()( 20- постоянная составляющая скорости подачи, К2 (ї)-ее переменная составляющая) и ее преобразования в величину подачи на оборот по алгоритму
Пример функции изменения величины подачи на оборот SP(t)относительно ее постоянного значения S0 P =0,01мм/об Приведенная зависимость (3.7) также показывает, что при одних и тех же значениях кинематических возмущений, определяемых вариациями скорости подачи, спектральный состав вариаций величины подачи на оборот изменяется в зависимости от угловой скорости шпинделя. В частности, для уменьшения влияния кинематических возмущений на величину подачи, и, как следствие, на вариации сил, вызывающих упругие деформационные смещения, необходимо уменьшать угловую скорость вращения шпинделя. Последняя определяет время усреднения вариаций скорости подачи. Вариации положения суппорта по отношению к оси вращения шпинделя и радиальные его биения характеризуют кинематические возмущения, вызывающие не только смещения вершины инструмента, но и изменения сил контактного взаимодействия, которые приводят к вариациям упругих деформационных смещений инструмента относительно заготовки. В общем же случае, при реализации технологического процесса выглаживания необходимо учитывать, что этот процесс необходимо реализовывать на станочном оборудовании, имеющем высокие показатели точности движения исполнительных элементов станка. В противном случае процесс выглаживания может приводить к ухудшению параметров микрогеометрии детали.
Во-вторых, на траектории упругих деформационных смещений оказывает влияние геометрическая топология исходной поверхности, которая образует вари 117 ации припуска, и, следовательно, сил. В данном случае под припуском понимается площадь, которую пересекает инструмент и подвергает пластическому деформированию. Эта площадь определяется (рис. 3.29) функция глубины внедрения наконечника вдоль направления скорости подачи (на приведенной иллюстрации она затемнена); AtP(l) - композиционная составляющая вариации глубины, определяемая топологией исходной поверхности заготовки с учетом остаточной неровности поверхности, обработанной на предыдущем обороте. В свою очередь, вариации припуска зависят от геометрии наконечника. В нашем случае - от его радиуса и глубины внедрения (рис. 3.29). Кроме этого, по направлению скорости движения алмаза lV изменяется и величина t определяемая исходной топологией детали
Определение рациональных значений технологических режимов
С помощью винта «3» осуществляется предварительная настройка сил, действующих на алмазный наконечник «2». Силы, обеспечивающие прижим наконечника к корпусу «1», регулируются на основе сжатия пружины «4». Это значение силы 0. Сила, формируемая в зоне обработки F1, должна превышать силу F10, то есть F1-F10=AF. Антифрикционные втулки «5» устанавливаются для уменьшения сил трения при деформировании пружины в процессе обработки в окрестности равновесия. Необходимо учитывать, что тангенциальные составляющие сил через узел трения «5» оказывают влияние на нормальные составляющие сил. Следовательно, при выборе узла трения «5» необходимо учитывать его антифрикционные свойства. Таким образом, инструмент для алмазного выглаживания обладает следующими настроечными параметрами и конструктивными элементами. 1) Жесткость пружины «4» и диапазон ее упругого деформирования. 2) Расстояние «L» между антифрикционными вкладышами. 3) Диаметр выступающей части наконечника «D» и его длина «L0». 4) Фрикционные свойства узла трения.
Одним из направлений совершенствования выглаживающего инструмента связано с устранением изгибных деформационных смещений наконечника. Однако полное их устранение не представляется возможным. Поэтому при конструктивном выборе инструмента необходимо согласовать центр его вращения с диаметром выступающей части алмаза. Для согласования центра вращения наконечника с диаметром выступающей части алмаза необходимо выбирать расстояние «L» между двумя антифрикционными втулками. При увеличении диаметра должно возрастать и расстояние «L». Наконец, диаметр «D» и расстояние «L0» должны выбираться исходя из отсутствия изгибных деформационных смещений тела наконечника, как твердого тела. Точка равновесия системы, определяемая балансом сил, должна выводить на линейный участок упругих деформаций пружины. Таким образом, предварительная деформация пружины определяется диапазоном изменения сил F1 . В свою очередь, диапазон изменения сил F1 определяется вариациями действующих на систему возмущений (вариациями припуска, кинематическими возмущениями, силовой эмиссией и пр.). Следовательно, первый этап настройки инструмента зависит от выбранных значений внедрения алмазного наконечника в заготовку и вариаций возмущений. Если станок и обрабатываемая деталь идеальны (отсутствуют возмущения), то требования к диапазону линейности прижимной пружины существенно меньше, чем при обработке на станке, в котором возмущения значительны.
Как показали исследования, изложенные выше, процесс выглаживания сопровождается виброакустической эмиссией. Причем, частотный состав эмиссионного сигнала существенно превышает полосу пропускания динамической подсистемы режущего инструмента. В этом случае при измерении сигнала виброакустической эмиссии наконечник выглаживающего инструмента (рис. 4.13) необходимо рассматривать как волновод, то есть систему с распределенными параметрами. Проблема изучения природы образования сигнала виброакустической эмиссии выходит за пределы настоящего исследования. Здесь приведем пример сигнала
Приведенный пример соответствует обработке стали UNS – G51400 (состав: углерод (0,38 – 0,43), ванадий (0,01), хром (0,7 – 1,07), молибден (0,03), марганец (0,7 – 0,9), никель (0,15), фосфор (0,03 – 0,035), сера (0,024 – 0,04), кремний (0.15 – 0,3), медь (0,34)) диаметром D=80 мм. Предварительно обработанная заготовке имеет высоту микронеровностей Ra=2,8 мкм. Режимы выглаживания: скорость – 60м/мин; глубина внедрения – 0,03 мм; подача – 0,01мм/об. Сигнал виброакустической эмиссии измерялся пьезлакселерометрометром разработки СКБ пьезоприбо-ров ЮФУ. Частотный диапазон: 10 кГц – 250 кГц. Так как обработка ведется с постоянной скоростью выглаживания, то масштабы опорной прямой на профилло-грамме и времени отлачаются на коэффициент. Для определения взаимосвязи микрорельефа и сигнала виброакустической эмиссии в частотной области можно воспользоваться функцией когерентности [69]. Если функцию рельефа на профилло-грамме представить функцией времени R(t), а функцию, измеренную пьезоэле ментом, как X(t), то функция когерентности равна (KRX)2(a )
Оценка функции когерентности попе- Приведенные данные показывают, речной шероховатости и сигнала виброакустической эмиссии при режимах выглаживания: что в случае устойчивого процесса микрорельеф поверхности подача SP = 0,01мм /об, скорости выглаживания VP = 60,0м/мин, глубина tP =0,03мм формируется в основном периодическими процессами в области пластической де формации, шаг которых существенно меньше радиуса алмазного наконечника. Как видно, оценки функции когерентности близки к единице, что свидетельствует о связи формируемых неровностей с силами в области контакта, которые и являются источником виброакустической эмиссии. Поэтому объективным критерием рациональности выбора технологических режимов и параметров инструмента может служить минимум дисперсии спектральной характеристики в частотном диапазоне (1,0 – 50,0) кГц. Таким образом, выбор параметров инструмента, технологических режимов по критерию устойчивости необходимо дополнить минимизацией дисперсии спектральной характеристики. Необходимо также отметить, что минимальное значение дисперсии в частотном диапазоне (1,0 – 50,0) кГц, как правило, совпадает с минимумом в диапазоне (20 Гц – 20 кГц). Именно последний частотный диапазон обычно рассматривается в выпускаемых в настоящее время стандартных виброакселероматрах (например, фирмой Брюэль и Къерр).
