Повышение эффективности обработки прецизионных поверхностей упругих пластин на операциях шлифования и доводки Колесов Александр Геннадиевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Состояние вопроса. цель и задачи исследования 11

1.1. Состояние вопроса. Пути решения задачи 11

1.2. Анализ технологического процесса обработки прецизионных поверхностей упругих пластин 17

1.3 Обзор математических моделей процессов шлифования

1.4. Обзор математических моделей процессов доводки 31

1.5. Выводы. Цели и задачи исследования 38

ГЛАВА 2. Математическое моделирование процессов шлифования и доводки прецизионных поверхностей упругих пластин 41

2.1. Моделирование процессов шлифования прецизионных поверхностей упругих пластин 41

2.1.1. Баланс перемещений в технологической системе при врезном шлифовании 41

2.1.2. Вычисление вероятности удаления материала в зоне контакта заготовки с шлифовальной головкой 44

2.1.3. Прогнозирование параметров качества обработанных поверхностей 48

2.1.4 Силы резания при шлифовании 53

2.2. Разработка математической модели процесса доводки

прецизионных поверхностей упругих пластин с поверхностно активными веществами 55

2.2.1. Расчет съема материала при доводке 55

2.2.2. Оценка параметров шероховатости при доводке алмазными пастами 63

2.2.3. Моделирование сил при доводке 65

2.3. Выводы 68

ГЛАВА 3. Методика и результаты экспериментальных исследований 69

3.1. Задачи и методики экспериментальных исследований 69

3.1.1 Методика исследований процесса шлифования 69

3.1.2. Методика исследований процесса доводки 73

3.2. Результаты экспериментальных исследований

3.2.1. Экспериментальные исследования влияния технологических факторов на процесс врезного шлифования 83

3.2.2. Результаты экспериментальных исследований влияния технологических факторов на процесс доводки 87

3.3. Выводы 93

ГЛАВА 4. Оптимальное управление съемом припуска при обработке прецизионных поверхностей 95

4.1. Анализ математической модели врезного шлифования. Формирование ограничений 95

4.2 Оптимизация режимов, построение оптимальных циклов обработки при врезном шлифовании 103

4.3. Оптимизация режимов, построение оптимальных циклов обработки при доводке. Формирование технических ограничений процесса доводки 106

4.4. Критерии эффективности технологического процесса 112

4.5. Расчет циклов программного управления 118

4.6. Внедрение и проверка результатов исследования 121

4.7. Выводы 123

Заключение 125

Список сокращений и условных обозначений 127

Список литературы

• Обзор математических моделей процессов шлифования
• Оценка параметров шероховатости при доводке алмазными пастами
• Экспериментальные исследования влияния технологических факторов на процесс врезного шлифования
• Оптимизация режимов, построение оптимальных циклов обработки при доводке. Формирование технических ограничений процесса доводки

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Переход к рыночным отношениям в экономике выдвинул на передний план проблемы, связанные с выпуском конкурентоспособной продукции в машиностроении и приборостроении. «Потребителям необходима продукция, характеристики которой удовлетворяли бы их запросы и ожидания» (ИСО/ПСК 2 9000: 2000). Высокий уровень требований к современным машинам и приборам обусловил ряд проблем, связанных с созданием высокопроизводительных технологических процессов, обеспечивающих изготовление деталей с заданными параметрами качества. Параметры качества определяют функциональную пригодность деталей и их эксплуатационные характеристики. Окончательно такие параметры формируются на финишных операциях, к числу которых относятся процессы шлифования и доводки. При изготовлении широкого класса деталей машин и приборов нужно с одной стороны – выдерживать высокие требования по качеству получения геометрических размеров, шероховатости и физико-механическому состоянию поверхностного слоя, с другой стороны – повышать производительность их выпуска в связи с требованиями рынка. Ставится задача не только повысить точность изготовления деталей в целом, но и обеспечить стабильность их параметров. Исследования в области создания технологических процессов формообразования рабочих поверхностей прецизионных деталей позволят повысить качество обработки деталей, а значит, и эксплуатационные свойства всего изделия.

В настоящее время актуальной и не полностью решенной является задача обработки прецизионных поверхностей упругих пластин, работающих при циклических знакопеременных нагрузках. Формирование точностных и качественных параметров поверхностей пластин осуществляется на операциях тонкого растачивания, фрезерования и шлифования с последующей доводкой перемычек.

Шлифование с последующей доводкой с поверхностно-активными веществами в значительной степени позволяет обеспечить требуемые технологические параметры обрабатываемых поверхностей, однако получение этих параметров носит нестабильный характер, а сами процессы формообразования являются трудноуправляемыми. Для стабилизации показателей качества технологические режимы назначаются исходя из опыта технолога или рекомендаций, приведенных в справочной литературе. При прогнозировании состояния тех-нологичекой системы (ТС) используются эмпирические модели протекания технологического процесса (ТП), полученные методами многофакторного планирования эксперимента. Погрешность таких моделей в ряде случаев достигает 100…300%, что не позволяет их использовать для расчета режимов резания при шлифовании и доводке прецизионных поверхностей упругих пластин. Вместе с тем процессы шлифования и доводки имеют сложную стохастическую природу, что приводит к разбросу показателей качества изделий и не позволяет использовать все возможности этих методов вследствие отсутствия адекватного математического описания процесса

Обеспечение качества и эффективности операций шлифования и доводки возможно только на основе разработки стохастических моделей, учитывающих вероятностную природу этих процессов. Необходимо комплексное решение этих задач, совокупность которых представляют собой нерешенную до настоящего времени задачу.

Степень разработанности темы исследования. Фундаментальные положения обеспечения точности и качества в теории шлифования, в том числе и с учетом динамических особенностей, освещены в исследованиях: Байкалова А.В., Бакуля В.Н., Бокучавы Г.В., Евсеева Л.Г., Королева А.В., Корчака С.Н., Кошина А.А., Лоладзе Т.Н., Лурье Г.Б., Маслова Е.Н., Маталина А.А., Новоселова Ю.К.,Носенко В.А., Орлова П.Н., Островского В.И., Переверзева П.П., В.Н., Попова С.А., Редько С.Г., Резникова А.Н., Старкова В.К., Степанова Ю.С., Сипайлова В.А., Федосеева О.Б., Филимонова Л.Н.,

4 Худобина Л.В., Якимова А.В. и многих других. Выполненные исследования освещают широкий спектр проблем, возникающих при шлифовании и доводке, они посвящены созданию технологических процессов, обеспечивающих качественную обработку деталей, позволяют решать комплекс задач направленных на существенное повышение производительности обработки, уменьшение себестоимости производства изделий, улучшение качества выпускаемой продукции, а также повышение культуры производства и безопасности труда. Однако, несмотря на огромную теоретическую и практическую базу до сих пор не решена задача эффективной обработки прецизионных поверхностей упругих пластин, решение которой требует создания комплексной стохастической модели шлифования и доводки, учитывающей вероятностную природу и технологическую наследственность процессов.

Целью диссертационной работы является: На основании вышеизложенного целью диссертационной работы является: повышение эффективности обработки прецизионных поверхностей упругих пластин за счет разработки и применения моделей и методов, учитывающих технологическую наследственность и стохастическую природу процессов шлифования и доводки.

Основные задачи исследования:

1. Исследовать закономерности удаления металла с обрабатываемой поверхностью при шлифовании и доводке поверхностей упругих пластин, учитывающие стохастическую природу процесса.

2. Выявить и формализовать взаимосвязи между технологическими параметрами и качеством изготовления прецизионных поверхностей при шлифовании и доводке заготовок абразивными пастами, с учетом технологической наследственности и стохастических и динамических свойств операций и осуществить экспериментальную идентификацию параметров разработанных моделей

3. Разработать методику расчета режимов обработки для шлифования и доводки прецизионных поверхностей, которая учитывает изменение состояния элементов технологической системы с течением времени.

4. Разработать методику расчета оптимальных по съему припуска циклов обработки прецизионных поверхностей упругих пластин, обеспечивающих заданное качество изделия при максимальной.

5. Экспериментально подтвердить достоверность результатов исследований и выполнить оценку ее эффективности при опытно-промышленной эксплуатации.

Научная новизна

6. На основе научного положения о том, что процессы шлифования и доводки могут быть представлены как взаимодействие случайных полей инструмента и заготовки, получены вероятностные математические зависимости, устанавливающие взаимосвязи между режимами обработки съёмом припуска и показателями качества поверхностного слоя детали.

7. Установлены взаимосвязи и закономерности формирования микрорельефа поверхностного слоя упругих пластин процессов шлифования и доводки, учитывающие их стохастическую природу и технологическую наследственность, которые позволяют обеспечить гарантированное качество обработки изделий.

8. Дана количественная оценка зависимости величины остаточных напряжений и параметров тонкой кристаллической структуры прецизионных поверхностей упругих пластин и БрБ2 от величины радиальной подачи и давления притира, что позволяет прогнозировать формирование физико-механического состояния слоя.

9. Установлена функциональная связь между структурой дефектного поверхностного слоя шеек маятников акселерометров после доводки с поверхностно-активными

веществами (ПАВ) и работоспособностью маятников, которая определяется

свойствами обрабатываемого материала и параметрами обработки. Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что применение теоретических методов позволило создать и разработать управляемые технологические процессы обработки прецизионных поверхностей упругих пластин на операциях шлифования и доводки, обеспечивающие высокую стабильность показателей качества поверхностей деталей, при значительном повышении производительности операций.

Объектом исследования являются процессы шлифования и доводки поверхностей упругих пластин алмазными пастами.

Предметом исследования являются закономерности формирования показателей качества прецизионных поверхностей упругих пластин при шлифовании и доводке.

Методология и методы исследования.

Методологической основой исследования служат основные положения теории технических систем, теории резания металлов, технологии машиностроения, теории случайных процессов, методов теории автоматического управления, линейной алгебры. При проверке адекватности моделей применены методы моделирования, базирующиеся на аналитическом и численном эксперименте, а также на экспериментальной проверке результатов моделирования в лабораторных условиях.

Экспериментальные исследования выполнялись на специально разработанной установке с учетом физических особенностей процесса шлифования и доводки с использованием современной измерительной техники (сертифицированной и поверенной) и статистических методов обработки экспериментальных данных.

Личный вклад автора. Все результаты получены автором лично или при непосредственном его участии. В статьях, опубликованных в соавторстве, личный вклад автора состоит в следующем: в публикациях [1,2] автором сформулированы выбор направления, цели и задачи исследований, предложена модель формы зерен и закон их распределения; в работе [3] представлены результаты исследования тонкой кристаллической структуры прецизионных поверхностей упругих элементов после операции доводки и испытаний пластин на долговечность; в публикациях [4,5,6] приведены стохастические модели процессов шлифования и доводки. Работа [7] выполнена без соавторства.

На защиту выносятся:

10. Стохастические модели процесса шлифования поверхностей упругих пластин, позволяющие оценивать состояние технологической системы в любой момент времени и учитывающие упругие и температурные деформации в зоне контакта инструмента с заготовкой.

11. Оптимизационный алгоритм и оптимальные циклы при шлифовании и доводке прецизионных поверхностей упругих пластин из БрБ2.

12. Cстохастические модели процесса доводки поверхностей упругих пластин алмазными паствами, учитывающие свойства ПАВ и силу давления неабразивной составляющей пасты, позволяющие прогнозировать поведение операции при любых алгоритмах изменения технологических режимов.

13. Метод одновременной двухсторонней обработки шеек упругих пластин с регулированием радиальной подачи и усилия прижима в соответствии изменениями жесткости заготовки, позволяющий формировать заданные параметры качества поверхностного слоя.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность результатов работы обеспечивается строгостью постановки задач при построении математических моделей, обоснованностью принятых допущений, использованием математически корректных методов. Адекватность полученных результатов

6 подтверждена экспериментальной проверкой и внедрением на машиностроительном предприятии. Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задач при построении математических моделей, обоснованностью принятых допущений, использованием математически корректных методов. Адекватность полученных результатов подтверждена экспериментальной проверкой и результатами внедрения в производство.

Материалы диссертации внедрены в учебный процесс, они используются для разработки методических комплексов по дисциплинам «Теория абразивно-алмазной обработки», «Динамика формообразования поверхностей при механической обработке», включенных в программу подготовки студентов специальности 15.03.05 – «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» на кафедре «Технология машиностроения» Севастопольского государственного университета. Результаты выполненных исследований внедрены на Симферопольском заводе АО «Завод «Фиолент». Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения методики составляет 49044 руб.

Основные положения диссертации получили полное отражение в докладах на научно-технических конференциях и семинарах, а также в публикациях по теме диссертации. Результаты диссертации представлены на международных и других конференциях, в том числе на: международных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых Севастопольского национального технического университета (с 2015 г. – ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет») «Прогрессивные направления развития машино-приборостроительных отраслей и транспорта» (Севастополь, 2013 г., 2014 г., 2015 г.), «Современные направления и перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении. Механообработка» (Севастополь, 2014 г., 2015 г. 2016 г.), Международной научно-технической конференции «Машиностроение -глазами молодых» (Кременчуг, 2013 г.), XVII Молодёжной международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Наука XXI века: новый подход» (Санкт-Петербург, 2016 г.)

Публикации. Материалы диссертации отражены в 7 работах. В рецензируемых журналах и изданиях, включенных в перечень ВАК и приравненных к ним (п.10 Постановления Правительства РФ №723 от 30.07.2014г.), опубликовано 5 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы, содержащего 118 наименований, приложений. Диссертация содержит 58 рисунков и 15 таблиц в тексте. Общий объем работы – 149 страниц.

Обзор математических моделей процессов шлифования

Вместе с тем, процессы врезного шлифования и доводки с ПАВ имеют сложную стохастическую природу, что приводит к разбросу показателей качества изделий и не позволяет использовать все возможности этих методов, вследствие отсутствия адекватного математического описания процесса [2,34,70,91]. Обеспечение качества и эффективности операций врезного шлифования и доводки с ПАВ возможно только на основе разработки стохастических моделей, учитывающих вероятностную природу этих процессов. Необходимо комплексное решение этих задач, совокупность которых представляет собой нерешенную до настоящего времени задачу.

Таким образом, выполненный анализ показывает, что единственным методом обеспечивающим изготовление изделий с требуемым качеством является шлифование с последующей доводкой с ПАВ. Эти операции позволяют одновременно получать поверхности с шероховатостью до Rz=0,050…0,010 мкм, точную форму с отклонением не более 0,1 – 2 мкм, точное взаимное расположение в пределах 2 – 5 мкм, отклонения от заданных размеров в пределах 1 – 3 мкм [2,91].

До настоящего времени развитие теории врезного шлифования и доводки с ПАВ преимущественно шло по пути установления и научного обобщения экспериментальных данных. В результате этих исследований предложен ряд зависимостей, позволяющих рассчитать глубину внедрения алмазного зерна в материал заготовки и притира, температуру в зоне резания, определить вероятность упругого и пластического деформирования микрообъемов металла алмазными зернами, вероятность микрорезания [75,76].. Построены зависимости получаемой шероховатости от размера абразивных зерен и удельного давления на притир. Экспериментальные данные позволили построить эмпирические зависимости для расчета режимов резания и параметров качества. [89,91].

Существующие математические модели и методы определения отдельных показателей процессов, как правило, не учитывают всего многообразия факторов стохастического характера, влияющих на процессы врезного шлифования и доводки с ПАВ, которое выражается в постоянном изменении с течением времени состояния технологического процесса. Отсутствие моделей, позволяющих назна 17 чить режимы резания, затрудняет проектирование технологического процесса обработки прецизионных поверхностей упругих пластин с целью обеспечения стабильности параметров качества получаемых изделий[10].

Технологический процесс обработки прецизионных поверхностей упругих пластин включает в себя три операции: черновое шлифование, чистовое шлифование и доводку.

Данный технологический процесс может рассматриваться, как система управления эффективностью и качеством обработки. Для этого обязательным условием является учет связей системы с окружающей средой. Все связи системы со средой можно разделить на: входные переменные, хи(т)...х1к(т),х21 (т)...х2к(т),х31 (z)..x3k(z) возмущающие воздействия wn(т)...wlr(z),w21 (т)...w2r(z),w31 (r)..w3r(z) управляющие воздействия ии(т)..и1е (z), и21 (z).. и2е (т), и31 (т).и3е (т) выходные параметры yu(z)...yln(z),y21(z)...y2n(z),y31(z)..y3n(z)

Выполним декомпозицию системы технологического процесса обработки на подсистемы чернового шлифования, чистового шлифования и доводки (рисунок 1.3). При этом каждая подсистема (операция) технологического процесса характеризуется наличием связей с окружающей средой.

Множество входных и выходных переменных всей системы включает при этом подмножество входных и выходных переменных каждой из подсистем за исключением связей, которые замыкаются внутри самой системы. К ним относятся параметры качества заготовки после первой и второй операций. Параметры качества операнда (заготовка-деталь) являются связующим звеном не только отдельной операции, но и технологического процесса в целом. Выходные переменные качества после выполнения первой операции - чернового шлифования - являются частью вектора входных переменных для второй операции - чистового шлифова 18 ния, выходные параметры качества после второй являются частью входных переменных для третьей операции - доводки.

Анализ схемы технологического процесса показывает, что изменение входных параметров качества на первой операции при сохранении неизменными остальных переменных может привести к изменению параметров качества во всех звеньях системы и параметров качества на заключительной операции.

Для каждой подсистемы законы преобразования выходных параметров таких, как глубина дефектного слоя hj, шероховатость поверхности Ra, фактическая глубина резания tf, сила резания Р, максимальная величина остаточных напряжений атах могут быть представлены в следующем виде:

Оценка параметров шероховатости при доводке алмазными пастами

Основными параметрами качества обработанной поверхности является ее шероховатость и глубина дефектного слоя; по ГОСТ 2789-73 регламентируются шесть следующих параметров шероховатости: Ra ,Rz ,Rmax ,Sm ,Sb ,tp . Обычно определение этих параметров сводится к табулированию профилограмм и дальнейшим вычислениям по таблицам.

Наиболее часто используются высотные параметры шероховатости Ra ,Rz ,Rmax . Это связано с тем, что они наиболее просто определяются на практике по профилограммам, либо с помощью измерительных приборов. Аналитическое определение этих параметров для схемы врезного шлифования, т.е. при непрерыв-ном контактировании детали с кругом, возможно на основе анализа зависимостей, полученных в 2.1.2. Эти зависимости позволяют прогнозировать не только радиальный съем металла, но и величину слоя, в котором распределена шероховатость поверхности.

Его вычисление возможно на основании смещения уровня равной вероятно сти удаления металла до и после контакта участка поверхности заготовки с кругом. При прохождении поверхности зоны контакта детали с кругом уровни будут сме щаться к центру детали. При этом величина съема детали численно равна смеще нию уровня с вероятностью удаления и вычисляется по формуле: P(M) = l-exp(- -[Sy(t0)])3 =1-Р(М). (2.19) у При непрерывном контактировании зерен с материалом заготовки, при частных значениях ри = 0,9973и tf=u (2.19) может быть переписана: 1п0,027 = —У . (2.20) Sy На основании равенства (2.20) получено уравнение: ln0,027Sv 1 Н = [ y]3. вм Величина слоя, в котором распределена шероховатость поверхности при врезном шлифовании, численно равна фактической глубине врезания и прямо пропорциональна подаче инструмента.

Для установившегося процесса шлифования при частном значении коэффициента к величина слоя, в котором распределена шероховатость, вычислена по зависимости: 47,31Stf1.5 Н = [ у " ]3. (2.21) 7iKcngVk2pg Величина температурных деформаций может быть учтена коэффициентом. Зависимость (2.21) позволяет получить выражение для расчета съма материала 3S Н 15 1 У f nKcngVk g Qz=tf-H = tf- [ I " ]3 (2.22) Полагая, что профиль шлифованной поверхности может быть стационарным случайным процессом с нормальным распределением ординат, получим выражение для оценки значений высотных параметров шероховатости. Среднее арифметическое отклонение профиля Ra может быть вычислено (см. рисунок 2.6) по площади выступов Fj и площади впадин F2, измеренных от средней линии профиля. Так как dFj = tpldym и dF2 =(lp)ldym, (2.23) To со о Ra=\tpdym+\(lp)dym, (2.24) О со где / - длина базового участка, мм; ут - расстояние от точек профиля до его средней линии. Вычисление Ra по данной зависимости возможно при использовании численных методов интегрирования. Рисунок 2.6 –. Профилограмма к вычислению функции распределения ординат профиля обработанной поверхности

Зависимость для вычисления Ra упрощается, если воспользоваться рассмот-ренным в работе положением о стационарности и нормальности случайного процесса, описывающие ординаты профиля.

Для такого процесса математическое ожидание среднего арифметического отклонения профиля пропорционально среднему квадратическому отклонению оу случайных ординат ут точек профиля [88]. \ M(RJ = J-K(0) \ ж (2.25) где К(0) - значение корреляционной функции при интервале х2-х1 =0 равно дисперсии случайной величины ут . Для определения среднеквадратического отклонения а вычислим функцию FYJYm) и плотность вероятностей fYJYm) расстояний Ym от средней линии до точек профиля шлифованной поверхности. l-Yb Fvm(ym) = Р(у Ут) = Пт — J L = р(М) /- о / ут га (2.26) f(yJ = L(Wm+yJ ехр 0M(Wm+ym)3 S (2.27) где Wm - расстояние от наиболее глубокой впадины до средней линии профиля. Для нормального процесса при Ym=0, Р(М) = 0,5 [88]: f(ym) СУУ42Ж (2.28) На основании этого вторая часть уравнения (2.27), выделенная фигурными скобками, равна 0.5, а среднее арифметическое отклонение профиля, учитывая уравнение (2.25), определяется, как: Ra 2S 7T0M3Wm (2.29) Таким образом, при определении Ra необходимо предварительно найти величину Wm . В общем случае она определяется как решение уравнения: euY.(Wm-Y.AQi) =1п2. i=l (2.30)

Решение уравнения (2.30) возможно только на основе применения численных методов. Это значительно осложняет вычисление параметров шероховатости поверхности.

Заметим, что формула (2.25) имеет простой аналитический вид и только вычисление Wm требует применения численных методов.

В работе [54] рекомендовано выражение при ориентировочных расчетах среднего арифметического отклонения профиля: Уравнение (2.33) отражает физическую природу процесса образования поверхностей и соответствует основным принципам теории размерностей. В качестве примера (на рисунках 2.7-2.8) представлены графики зависимости шероховатости обрабатываемой поверхности от зернистости абразивного материала и окружной скорости шлифовальной головки.

Комплексным параметром, объединяющим высотные и шаговые параметры шероховатости, является средняя опорная длина профиля. По определению этот параметр совпадает с вероятностью неудаления металла. При tу = const формула примет вид: t pj exp 1.5 AKcngVk 2p Sy2t 8H з (2.34) 7 S;,MKM/ Q 12 3 4 5 6 7 S„MKM/C

Экспериментальные исследования влияния технологических факторов на процесс врезного шлифования

Пластины с наклеенными на них тензодатчиками перед обработкой покры-вались цапон лаком. Температура электролита контролировалась термометром. Химический состав материалов определяли с помощью настольного лабораторного энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного спектрометра ElvaX, производства компании «Элватех» (рисунок 3.6 а, б). а) блок регистрации энергии б) спектрометр в процессе работы рентгеновского излучения Рисунок 3.6 – Общий вид настольного лабораторного спектрометра ElvaX Оценку химического состава бериллиевой бронзы БрБ2 проводили методом фундаментальных параметров [75].

В ходе экспериментов оценивалось влияние на показатели процесса доводки параметров и характеристик алмазных паст ТУ 2-037-506-85, в том числе: – марок алмазного порошка АСМ, АСН; – зернистости от 2/1 до 20/14. Выбор таких материала и характеристик доводочных паст обусловлен их применением для производства упругих пластин на приборостроительных пред-приятиях. В качестве инструмента использовали притиры, изготовленные на бесцентровом шлифовальном станке из латуни Л60. Диапазон исследуемых режимов резания определялся по существующим рекомендациям [2].

В процессе исследований контролировали съем материала, шероховатость обработанной поверхности; исследовалась тонкая кристаллическая структура поверхности образцов после доводки. При исследовании процесса доводки на точность обработки за критерий точности была принята величина среднего квадратиче-ского отклонения от размера характеризующего толщину перемычки упругого элемента.

Для установления взаимосвязей между параметрами процесса (Ar, Ra , Rz , ах) от давления притира (сил резания) была переоборудована экспериментальная установка для шлифования под процесс доводки, оснащенная контрольно-измерительной аппаратурой, позволяющей регистрировать величину радиальной составляющей силы резания, возникающей в процессе доводки и частоту вращения притира, конструкция и общий вид контрой представлены на рисунке 3.7 а, б

Экспериментальная установка для исследования процесса доводки абразивными пастами: а)общий вид экспериментальной установки; б) схема экс-периментальной установки для исследования процесса доводки свободным абра-зивом: 1 – обрабатываемый образец; 2 – тензометрическая балка; 3 – зажимное приспособление;4 - притир; 5 - привод главного движения; 6 - обратный центр;7 - координатный стол; 8 - рукоятка микрометрического винта.

Средний износ притира S определяли с помощью оптиметра как среднее значение разности диаметров заготовки до, и после обработки, измеренных в двух взаимно перпендикулярных направлениях до и после обработки, Погрешность измерения составила ± 0,0002 мм.

Величину давления притира контролировали с помощью тензометрических датчиков 2 (рисунок 3.7 б), наклеенных балку 3, усилителя и аналого-цифрового преобразователя ЛА-50USB, подключенного к персональному компьютеру по известной методике. Тарировка тензометрической балки осуществлялась статическим нагружением. Масштаб тарировки определялся аппроксимацией по методу наименьших квадратов. Тарировочный график имел линейный характер. Общая погрешность при использовании данной методики составляет 10% .

Исследование влияния режимов процесса доводки на параметры тонкой кристаллической структуры (ТКС) выполняли на дифрактометре «Дрон-2» в Feka излучении рентгеноструктурным методом (рисунок 3.8) [6].

Информация, получаемая при исследовании, определялась путем регистрации рентгеновского излучения с последующим анализом профиля рентгеновской линии. Рентгенографирование образцов производили при скорости движения счетчика автоматической регистрации интенсивности излучения 1 град/мин, скорости движения диаграммной ленты 600 мм/час. При сильном размытии дифракционной линии второго порядка, отражения регистрации линий производили по точкам. Для исследования ТКС рентгенографировали линии 111, 220, 311.

Основные требования, предъявляемые к качеству дифракционной линии, сводились к тому, чтобы интенсивность линии была выше флуктуаций фона и ошибка при определении интенсивности не превышала 5%. Необходимо отметить, что определение параметров ТКС по одной линии дает некорректные ре 76 зультаты. Для корректного определения параметров ТКС проводили съемку ми-нимум двух линий, отличающихся порядком отражений. При экспериментальном затруднении съемки линий второго порядка отражения проводили анализ иных линий с соответствующей корректировкой методик расчета параметров ТКС.

Оценка точности дифрактометрических исследований является основой для получения надежных данных ТКС исследуемых материалов. Для анализа погрешности измерения параметров тонкой структуры была проведена и рассмотрена оценка статистических ошибок счета при измерении интенсивности рентгеновского излучения дифрагированных лучей. Известно, что интенсивность излучения, которая регистрируется счетчиком, определяется скоростью счета импульсов.

Оптимизация режимов, построение оптимальных циклов обработки при доводке. Формирование технических ограничений процесса доводки

Задача оптимизации режимов при технологических ограничениях, наложенных на ограничение детали в зависимости от вида целевой функции, может быть решена с помощью методов вычислительной математики. Для решения этой задачи был произведен анализ существующих методов и особенно методов нелинейного программирования

Разработанная математическая модель врезного шлифования имеет нелинейный вид, следовательно, при оптимизации режимов обработки могут быть использованы такие методы нелинейного программирования, как методы наискорейшего и покоординатного спуска, метод неопределенных множителей Лагран-жа, метод деформируемого многогранника совместно с методом штрафных функций и ряд других

Функция оптимизации разработанной модели зависит от двух переменных. Исследование функций такого вида, произведенное в работе (54), показывает, что она монотонна, непрерывна, не имеет локальных экстремумов, позволяет вычислить компоненты вектора градиента путем непосредственного дифференцирования, что дает возможность использовать для ее оптимизации способ градиента , применение которого сводится к отысканию экстремума условной целевой функции при наложенных ограничениях.

Здесь частные производные вычисляются в рассматриваемых точках. Вектор градиента направлен вверх, в направлении подъема, а обратный ему вектор указывает направление спуска. Для решения задач оптимизации режимов при врезном шлифовании прецизионных поверхностей градиентным методом вычислим частные производные по управляющим переменным. Обозначим через Dk частную производную от целевой функции по напряжению Sy, а через Dm - частную производную по фактической глубине резания tj, тогда: У I ) = т s-ь af Задаваясь шагом некоторой длины D, путем одновременного изменения всех координат можно осуществлять движение в направлении, близком к мгновенному направлению вектора градиента, до достижения точки экстремума или точки границы, максимально приближающейся к ней, т.е. в результате данной процедуры устанавливаются такие значения радиальной подачи Sy и фактической глубины tj при которых обеспечивается максимальная скорость съема припуска.

При этом алгоритм управления радиальной подачи S и глубиной резания определяется ограничениями величины максимальной скорости съема, обусловленной предельным значением упругой деформации системы или отклонениями за пределы допуска какого-то геометрического параметра обрабатываемой детали и ограничениями темпа скорости съема металла в функции текущего припуска, обусловленного требованием отсутствия измененного слоя обработанной поверхности детали рисунке 4.2.

Расчет цикла управления осуществляется следующим образом: 1. Рассчитывают значения фактических глубин резания Sy и скоростей съема Qt = f(tf;Sy) на этапе врезания (рисунок 4.2, участок 1-2) Рассчитывают суммарное время ti для участка 1-2 и определяют припуск Пь снимаемый на этапе врезания. 2. Вычисляют фактическую глубину резания tj ,в соответствии с рассчи танными ограничениями. В зависимости от точности обработки разбивают при пуск 1 -2 на интервалы N=ni_2/A. Задаваясь приращением по t,, рассчитывают значения фактических глубин резания, скоростей съема материала и времени удаления припуска для каждого из интервалов, определяют суммарное время обработки t2 на участке 1-2 цикла.

Алгоритмы оптимального управления скоростью съема при врезном шлифовании. Область ограничений, определяемая: (1-2) - предельной подачей станка Sy; (2-3) - жесткостью технологической системы Р/j; (3-5) -шероховатостью поверхности Ra и физико-механическим состоянием поверх-ности hd .

Рассчитывают скорость съема материала при максимальном значении радиальной подачи (скорость съема в точке 3).

Определяют величину припуска П2-3=П2 на участке 2-3 цикла, разбивают его на интервалы. Рассчитывают векторы градиента, по направлению которых дают приращение фактической глубине резания. Производят расчет ограничений, определяют скорость съема и время обработки t3 на каждом из элементарных участков. При этом рассчитываются все ограничения. 4.Вычисляют припуск П3 для участков 3-4-5 цикла, рассчитывают время, в течение которого будет снят припуск. Определяют суммарное машинное время цикла. 5. По расчетным значениям фактической глубины резания и скорости съема материала определяют номинальную подачу инструмента для каждой расчетной точки цикла. После этого расчет цикла прекращается, полученная информация поступает на управляющие органы станка.

Предложенная методика расчета оптимальных по съему припуска циклов обработки прецизионных поверхностей обеспечивает получение деталей с заданными параметрами точности, шероховатости и физико-химическим состоянием поверхностных слоев. Методика основана на использовании динамической теоретико-вероятностной модели и градиентного метода оптимизации.