Введение к работе
Актуальность темы. Одним из важнейших процессов финишной обработки малогабаритных валов является шлифование на автоматизированных станках. К снижению качества валов приводит влияние ряда факторов, сопровождающих шлифование, например высокие температуры, что влечет истирание режущих кромок абразивных зерен шлифовального круга, скалывание режущих кромок, заполнение свободных пор металлической стружкой и ряд других факторов. Все это приводит к потере геометрической формы шлифовального круга, его износу, ухудшению шлифовальных свойств, вследствие чего данные факторы приводят к браку в изделии. В связи с этим требуется производить правку круга для восстановления свойств рабочего инструмента. Время до очередной правки круга зависит от качества материала абразивного инструмента, условий процесса обработки, материала заготовки и других параметров, влияющих на процесс шлифования. Вопрос определения интервала между правками является очень важным, так как от этого зависит качество обработки, стоимость шлифовального процесса и эффективность процесса шлифования в целом.
Качество обработки малогабаритных валов обеспечивается управлением процессами шлифования, в основе которых лежит анализ возмущающих факторов. Одним из возмущающих факторов являются динамические процессы, протекающие в технологической системе, оценивающиеся с помощью виброакустических (ВА) колебаний при обработке. Амплитуда и частотный состав ВА колебаний при шлифовании являются основными показателями динамических характеристик станков, они оказывают существенное влияние на формирование геометрических показателей точности, таких как отклонение от круглости, огранка, волнистость и шероховатость валов, а также на качество поверхностного слоя валов.. Исследованиями по вышеупомянутой тематике занимались В.А. Кудинов, С.С.Кедров, В.И. Попов, М.Л.Орликов, Б.М.Бржозовский, А.А.Игнатьев и ряд других исследователей.
Требования к качеству и эффективности шлифования повышаются по ходу технического прогресса и, тем самым, повышаются требования к точности управления процессом абразивной обработки, одним из критериев которого является определение момента правки круга.
Достоинства процесса шлифования реализуются при условии обеспечения качественного восстановления характеристик шлифовального круга правкой его рабочей поверхности. С помощью процесса правки формируются необходимые режущие свойства круга и восстанавливается его геометрическая форма. Исследованиями процесса правки круга занимались А.В.Королев, И.Н.Янкин, С.А. Попов, Н.П. Малевский, Н.Н Васильев, И.П.Никифоров, Xipeng Xu, H. Kaliszer и ряд других ученых.
Однако, для повышения эффективности шлифования в целом, необходимо определять момент, при котором необходимо осуществлять правку круга, т.к. зачастую правку круга проводят слишком часто, тем самым нерационально расходуя абразивный и алмазный инструмент, и затрачивается дополнительное время на правку круга непосредственно. В ряде работ имеются сведения, связанные с определением момента правки круга по уровню ВА колебаний динамической системы (ДС), однако наличие стохастических составляющих в спектре колебаний затрудняет формирование критерия, по которому достаточно точно определяется момент правки круга. Актуальность данной темы определяется тем, что путем обработки зарегистрированных при шлифовании ВА колебаний ДС обосновывается критерий назначения момента правки круга, базирующийся на вычислении запаса устойчивости ДС.
Цель работы – повышение эффективности шлифовальной обработки валов с обеспечением заданной точности на основе определения периодичности правки шлифовального круга по запасу устойчивости динамической системы (ДС), оцениваемому по реальному состоянию шлифовального круга, идентифицированному по виброакустическим колебаниям шпинделей станка при обработке.
Методы и средства исследования. Проведенные теоретические исследования основываются на методах теории автоматического управления положениях применительно к динамике станков, процессах абразивной обработки. Экспериментальные исследования выполнены в производственных условиях на автоматизированном круглошлифовальном станке с ЧПУ Weiss WKG-05 для обработки валов, с применением средств измерения ВА колебаний узлов станков, в том числе виброизмерителя ВШВ – 003М3, был проведен контроль качества деталей в лабораторных условиях, для проведения измерений использовались: вихретоковый дефектоскоп ПВК – К2М, кругломер Talyrond 131, профилограф Hommel T1000, универсальный прибор для контроля геометрических характеристик Twinner T4M.
Научная новизна работы:
1. Построена и обоснована модель динамической системы круглошлифовального станка в виде передаточной функции, связывающей силу резания на выходе с подачей круга на входе системы, учитывающая изменение во времени режущих свойств и износ круга, позволяющая обосновать, что динамическая система по мере износа круга переходит из устойчивого состояния в неустойчивое.
2. Выявлена корреляционная связь изменения запаса устойчивости динамической системы шлифовального станка при обработке малогабаритных валов по мере износа круга, определяемого по показателю колебательности, полученному экспериментально-аналитическим методом при обработке зарегистрированных виброакустических колебаний из передаточной функции замкнутой динамической системы, с изменением геометрических параметров точности (шероховатость, отклонение от круглости, прямолинейность профиля) и физико-механических параметров поверхностного слоя, измеренных вихретоковым методом, что дает возможность установить реальный момент правки круга.
3. Разработано методическое обеспечение для назначения момента правки круга по запасу устойчивости динамической системы, критериально оцениваемому по превышению значения показателя колебательности, полученного экспериментально-аналитическим путем, на установленную величину от значения для стационарного по показателю колебательности режима обработки, целеориентированное на изготовление деталей с заданным качеством, рациональное использование абразивного и алмазного инструмента.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработан метод определения периодичности правки круга на шлифовальных станках по стохастическим характеристикам ВА колебаний, регистрируемых в диапазоне до 4000 Гц при обработке малогабаритных валов. Экспериментальные исследования подтвердили справедливость результатов, полученных при анализе теоретической модели ДС. Экспериментально установлена рациональная периодичность правки шлифовального круга, которая в 2,5 раза больше применяемой ранее с сохранением заданных показателей качества деталей. Практическая реализация результатов работы осуществлена на ООО «Бош Пауэр Тулз» для повышения эффективности шлифовальной обработки, что подтверждается актом передачи результатов исследований. Результаты также используются в учебном процессе на кафедре “Автоматизация, управление, мехатроника” СГТУ имени Гагарина Ю.А.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на пяти конференциях различного уровня: Международных конференциях «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2009), «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2010), «Математические методы в технике и технологии-24» (Саратов, 2011); «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (Пенза, 2011), «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2012), на заседаниях кафедры «Автоматизация и управление технологическими процессами» СГТУ в 2009-2013 гг и межкафедральном семинаре института электронной техники и машиностроения СГТУ имени Гагарина Ю.А. в 2013 году.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 4 статьи в журналах, включённых в перечень ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (173 наименования) и приложений, изложена на 130 страницах, содержит 68 рисунков, 5 таблиц.
