Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ состояния вопроса 9
1.1 Свойства и области применения стали ШХ15 9
1.2 Требования к геометрическим параметрам торцов колец 13
1.3 Особенности шлифования торцов колец подшипников 22
1.4 Способы устранения отклонений от плоскостности торцов колец
шлифованием 33
1.5 Основные выводы, постановка задач исследования 36
ГЛАВА 2 Методика проведения исследований 39
2.1 Экспериментальные образцы 39
2.2 Абразивный инструмент 40
2.3 Методика определения радиальной Ру и касательной Рz составляющих сил резания 42
2.4 Методики определения шероховатости, волнистости, отклонения от плоскостности, коэффициента шлифования, прижогов 50
2.5 Использование методики ПФЭ типа 2k 56
ГЛАВА 3 Разработка математических моделей осевой упругой деформации при закреплении и шлифовании торцов колец крупногабаритных подшипников и условий обеспечения заданного допуска плоскостности торцов 58
3.1 Выбор расчетной схемы для определения величины осевых упругих деформаций колец 58
3.2 Математические модели осевой упругой деформации при закреплении и шлифовании торцов колец крупногабаритных подшипников 64
3.3 Определение контактных деформаций 76
3.4 Условия обеспечения заданного допуска плоскостности. Управление осевыми упругими деформациями 80 3.5 Математические модели допускаемой величины радиальной 86 составляющей силы резания 3.6 Выводы 88
ГЛАВА 4 Разработка математических моделей показателей процесса плоского врезного шлифования стали ШХ15 89
4.1 План факторного эксперимента типа 24 89
4.2 Влияния режимов обработки и характеристик абразивного инструмента на составляющие силы резания 91
4.3 Регрессионные модели составляющих силы резания.. 101
4.4 Регрессионные модели шероховатости обработанной поверхности (параметр Rа) и коэффициента шлифования .
4.5 Выводы 115
ГЛАВА 5 Повышение эффективности процесса плоского врезного шлифования торцов колец крупногабаритных подшипников 116
5.1 Алгоритм и методика для определения оптимальных условий шлифования торцов колец крупногабаритных подшипников 116
5.2 Разработка рекомендаций по повышению эффективности процесса плоского врезного шлифования торцов колец крупногабаритных подшипников 119
5.3 Выводы 127
Общие выводы 128
Список литературы
- Требования к геометрическим параметрам торцов колец
- Методики определения шероховатости, волнистости, отклонения от плоскостности, коэффициента шлифования, прижогов
- Математические модели осевой упругой деформации при закреплении и шлифовании торцов колец крупногабаритных подшипников
- Регрессионные модели шероховатости обработанной поверхности (параметр Rа) и коэффициента шлифования
Введение к работе
Актуальность темы. Для подшипниковой промышленности шлифование является одним из основных методов обработки, определяющим геометрическую точность деталей подшипников. Пути повышения геометрической точности шлифования подшипников качения определены в многочисленных российских и зарубежных исследованиях. Однако изготовление крупногабаритных подшипников связанно со значительными трудностями.
Эти трудности обусловлены сложностью обеспечения геометрической точности колец подшипников, имеющих начальные отклонения от плоскостности торцов в результате термообработки или предшествующих операций механической обработки.
Для обеспечения заданных геометрических параметров торцовые поверхности подвергают шлифованию. Наличие отклонений от плоскостности торцовых поверхностей существенно усложняет процесс шлифования, поскольку под действием магнитного поля стола станка кольцо получает упругую деформацию. После шлифования и снятия магнитного поля упругие деформации возвращают определённую величину отклонения от плоскостности обработанному торцу.
Различные технологические приемы, использующиеся для устранения отклонений от плоскостности торцов колец подшипников, существенно увеличивают время обработки и стоимость операции.
При шлифовании колец крупногабаритных подшипников необходимо учитывать упругие деформации, возникающие от действия магнитного поля стола и силы резания. Управление величиной упругих деформаций позволит уменьшить время и стоимость операции при гарантированном обеспечении геометрической точности детали. Тем не менее, данный вопрос при шлифовании колец крупногабаритных подшипников исследован недостаточно.
В этой связи представляет научную и практическую значимость исследование влияния осевой упругой деформации, возникающей при закреплении и шлифовании колец крупногабаритных подшипников, на обеспечение заданных параметров качества обработанной поверхности.
Цель работы - повышение эффективности процесса плоского шлифования торцов колец крупногабаритных подшипников путем управления осевой упругой деформацией, возникающей при закреплении и обработке заготовки.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
исследовать влияние осевой деформации при закреплении и шлифовании крупногабаритных колец конических подшипников на отклонение от плоскостности обработанной торцовой поверхности кольца;
определить условия, обеспечивающие получение заданного допуска плоскостности торцовой поверхности колец подшипников с учетом их осевой упругой деформации при закреплении и шлифовании;
разработать математические модели осевой упругой деформации, возникающей при закреплении и шлифовании торцовой поверхности колец подшипников;
исследовать особенности плоского врезного шлифования в различных условиях заготовок из стали ШХ15 в связи с требованиями к качеству обработанной
поверхности, разработать математические модели составляющих силы резания и показателей качества обработанной поверхности;
разработать алгоритм, методику и программное обеспечение для выбора условий шлифования торцов колец крупногабаритных подшипников, учитывающие их осевую упругую деформацию при закреплении и шлифовании;
апробировать и внедрить в производство результаты исследований на операции шлифования торцовых поверхностей колец крупногабаритных подшипников их стали ШХ15.
Научная новизна
Разработаны условия обеспечения заданного допуска плоскостности торцовой поверхности кольца подшипника, учитывающие упругую деформацию при закреплении заготовки магнитным полем станка и шлифовании.
Разработаны математические модели осевой упругой деформации при закреплении и шлифовании колец крупногабаритных конических подшипников, имеющих начальные отклонения от плоскостности.
Разработаны эмпирические математические модели составляющих силы резания плоского врезного шлифования стали ШХ-15, параметра шероховатости обработанной поверхности Ra и коэффициента шлифования с учетом характеристики абразивного инструмента и режимов шлифования.
Разработаны алгоритм и методика выбора условий шлифования торцовой поверхности колец крупногабаритных подшипников, учитывающие осевую упругую деформацию кольца и обеспечивающие заданные требования к качеству обработанной поверхности.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Разработан способ получения заданного допуска плоскостности торцов колец шлифованием, новизна которого подтверждена патентом 2370354 РФ, МІЖ В 24 В 7/04.
Разработано программное обеспечение для практической реализации методики выбора оптимальных условий шлифования торцовой поверхности колец крупногабаритных конических подшипников.
Разработаны и внедрены в производство в Волжском филиале ОАО «ЕПК Самара» рекомендации по определению условий, обеспечивающих возможность устранения отклонений от плоскостности торцов колец крупногабаритных подшипников шлифованием, и методика выбора оптимальных условий шлифования торцовых поверхностей колец крупногабаритных конических подшипников.
Результаты работы внедрены в учебный процесс по направлению «Конст-рукторско-технологическое обеспечение машиностроительного производства» при преподавании дисциплин «Технология абразивной обработки» и «Моделирование процессов абразивной обработки» в Волжском политехническом институте (филиал) ВолгГТУ.
Апробация работы
Основные положения работы докладывались и обсуждались на Междунар. науч.-технич. конф. «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы» (г. Волжский, 2006 г.); XX Междунар. науч.-технич. конф. «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-20» (г. Ярославль, 2007 г.);
XVIII междунар. науч.-техн. конф. «Машиностроение и техносфера XXI века» (г. Севастополь, Украина, 2011 г.); XIV междунар. науч.-техн. конф. «Технология -2011» (г. Орел, 2011 г.); XV междунар. науч.-техн. конференции «Технология -2012» (г. Орел, 2012 г.); III Междунар. науч.-техн. конф. (Резниковские чтения) «Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства» (г. Тольятти, 2011 г.); V-ой Междунар. науч. сту-денч. конф. и «Научный потенциал студенчества в XXI веке» г. Ставрополь 2011 г. (кубок и диплом Ш-ей степени); IV, V, VI, VII Всерос. конф. «Инновационные технологии в обучении и производстве» (г. Камышин, 2006, 2008, 2009, 2010 г.); V Межрег. науч.-практ. конф. «Взаимодействие вузов и промышленных предприятий для эффективного развития инновационной деятельности» (г. Волжский, 2009 г.); XI Регион, конф. молодых исследователей Волгоградской обл. (г. Волгоград, 2006 г.); XII Межвуз. науч.- практ. конф. молодых уч. и студ. г. Волжского, (г. Волжский, 2006 г.); VI, VII, VIII, IX, X, XII науч.- практич. конф. ВПИ (филиал) ВолгГТУ (г. Волжский, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2013 г.), расширенный межкафедр, науч. семинар автомеханического факультета ВПИ (филиала) ВолгГТУ (2013 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 23 печатные работы, в том числе: 1 монография; 4 статьи в научных журналах, входящих в список изданий, рекомендуемых ВАК РФ; 1 статья переиздана в зарубежном журнале на англ.; получен 1 патент на изобретение РФ; 11 работ в сборниках трудов международных и республиканских конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка, включающего 123 наименования, 5 приложений. Работа изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 22 таблицы.
Требования к геометрическим параметрам торцов колец
Роликовые тела качения бывают: короткие при отношении длины к диаметру l/d = 1…1,25, длинные при l/d = 2…2,5, игольчатые при l/d = 10…20.
Размеры подшипника - внутренний d и наружный D диаметры, ширина B (высота H) и радиусы r фасок колец - установлены ГОСТ 3478-79. Подшипники качения в диапазоне внутренних диаметров 3…10 мм стандартизованы через 1 мм, до 20 мм – через 2…3 мм, до 110 мм – через 5 мм.
Материалы подшипников качения назначаются с учётом высоких требований к твёрдости и износостойкости колец и тел качения. Здесь используются подшипниковые высокоуглеродистые хромистые стали ШХ15 и ШХ15СГ, а также цементируемые легированные стали 18ХГТ и 20Х2Н4А. Твёрдость колец и роликов обычно HRC 60...65, а у шариков немного больше – HRC 62... 66, поскольку площадка контактного давления у шарика меньше. Сепараторы изготавливают из мягких углеродистых сталей либо из антифрикционных бронз для высокоскоростных подшипников. Широко внедряются сепараторы из дюралюминия, металлокерамики, текстолита, пластмасс. Сепараторы высокоскоростных подшипников называют массивными и выполняют из текстолита, фторопласта, латуни, бронзы с предпочтительным центрированием их по наружному кольцу.
Для обеспечения нормальной и долговечной работы подшипников качения к качеству их изготовления и термической обработке тел качения и колец предъявляют высокие требования.
Подшипники качения в отличие от подшипников скольжения стандартизованы. Подшипники качения различных конструкций (диапазон наружных диаметров 1,0 - 2600 мм, масса 0,5 - 3,5 т) изготовляют на специализированных подшипниковых заводах. Подшипники качения с наружным диаметром 200 мм относят к крупногабаритным; с наружным диаметром 500 мм – к сверхкрупногабаритным.
Подшипники качения классифицируют по направлению воспринимаемой нагрузки, в соответствии с ГОСТ3395-83 - радиальные, радиально-упорные, упорно-радиальные и упорные. Радиальные подшипники (см. рисунок 1.1 а-е) воспринимают (в основном) радиальную нагрузку, то есть нагрузку, направленную перпендикулярно к геометрической оси вала. Упорные подшипники (см. рисунок 1.1 и, к) воспринимают только осевую нагрузку. Радиально-упорные (см. рисунок 1.1 ж, з) и упорно-радиальные подшипники могут одновременно воспринимать как радиальную, так и осевую нагрузку. При этом упорно-радиальные подшипники предназначены для преобладающей осевой нагрузки.
По форме тел качения подшипники делят на шариковые (см. рисунок 1.1 а, б, ж, и), с цилиндрическими роликами (см. рисунок 1.1 в), с коническими роликами (см. рисунок 1.1 з, к), игольчатые (см. рисунок 1.1 д), с витыми роликами (см. рисунок 1.1 е), с бочкообразными роликами (сферическими) (см. рисунок 1.1 г). Тела качения игольчатых подшипников тонкие ролики — иглы диаметром 1,6 -5 мм. Длина игл в 5-10 раз больше их диаметра. Сепараторы в игольчатых подшипниках отсутствуют.
По числу рядов тел качения различают однорядные (см. рисунок 1.1 а, в, д-к) (имеющие основное применение), двухрядные (см. рисунок 1.1 б, г), четырехрядные, многорядные подшипники качения.
По конструктивным и эксплуатационным признакам подшипники делят на самоустанавливающиеся (тип 1000 – шариковые; тип 3000 – роликовые) (см. рисунок 1.1 б, г) ), допускающие перекос валов на опорах до 2 - 3, и несамоуста-навливающиеся (все шарико- и роликоподшипники, кроме сферических) (см. рисунок 1.1 а, в, д-к).
По способу изготовления сепараторов различают подшипники со штампованными и литыми сепараторами.
По конструктивным особенностям (с контактным уплотнением, с защитной шайбой, с фланцем на наружном кольце и т.д.).
В зависимости от требований по уровню вибрации, шума и других дополнительных требований установлено три категории подшипников качения: A (самая высокая), B и C. Также введены дополнительные ряды радиальных зазоров и ряды моментов трения. В зависимости от соотношения радиальных габаритных размеров наружного D и внутреннего d диаметров подшипники делят на серии (7 серий, при d -const, D - var): сверхлегкую, особо легкую, легкую, среднюю, тяжелую, легкую широкую, среднюю широкую. Основное распространение имеют легкие и средние узкие серии. По ширине В выделяют серии (5 серий, при d и D - const, B - var): особо узкие, узкие, нормальные, широкие и особо широкие.
Точность подшипников качения определяется: точностью основных размеров; точностью вращения. Точность основных размеров определяется отклонениями размеров внутреннего и наружного диаметров и ширины кольца. Отклонения размеров диаметров определяет характер посадки.
Точность вращения характеризуется радиальным и боковым биением дорожки качения. По классам точности подшипники различают (по ГОСТ 520-2002): 0 – нормального класса (радиальное биение внутреннего кольца 20 мкм); 6 – повышенной точности (радиальное биение внутреннего кольца 10 мкм); 5 – высокой точности (радиальное биение внутреннего кольца 5 мкм); 4 – особовысокой точности (радиальное биение внутреннего кольца 3 мкм); 2 – сверхвысокой точности (радиальное биение внутреннего кольца 2,5 мкм); 8 и 7 – грубые ниже 0; 6Х – только для роликовых конических подшипников.
Шариковые подшипники — применяют при небольших нагрузках и малых диаметрах валов, а при больших нагрузках и больших диаметрах валов - роликоподшипники. В тяжелом машиностроении широко используют роликовые подшипники как наиболее грузоподъёмные. Около 40% производства всех роликовых подшипников приходится на конические подшипники.
Методики определения шероховатости, волнистости, отклонения от плоскостности, коэффициента шлифования, прижогов
Согласно полученной математической модели, осевая упругая деформация w кольца зависит от размеров детали, усилия шлифования или зажима, действующих в осевом направлении, и ширины s контакта кольца по торцу с опорной поверхностью. Ширина контакта кольца определяется главным образом величиной отклонения от плоскостности и размерами кольца. Например, при бесцентровом шлифовании одновременно двух торцов [48]:
Полученная модель для w справедлива только для синусоидального характера отклонения от плоскостности и величин отклонений от плоскостности порядка 0,03 мм и выше. При уменьшении величины или нарушении синусоидального характера формы торцов ширина контакта s увеличивается, приближаясь к значению D, а деформация тем самым уменьшается, приближаясь к нулю. Упругая деформация деталей при любых значениях усилий шлифования или зажима возможна только при отклонении от плоскостности базовых торцов, причем величина деформации в осевом направлении не может превышать величину отклонения от плоскостности. Таким образом, понятие жесткости колец в осевом направлении при шлифовании имеет смысл только при отклонении от плоскостности торцов [48].
С использованием полученной модели в [48] определяется необходимое число проходов при бесцентровом двухстороннем шлифовании торцов колец.
На рисунке 1.7 представлена динамика изменения исходного отклонения от плоскостности торцов по мере снятия припуска за каждый проход 40 мкм при бесцентровом двухстороннем шлифовании торцов колец различной жесткости [48].
Величина деформации w оценивалась как разность между фактическим съемом припуска (уменьшение исходного отклонения от плоскостности) и глубиной шлифования to. Согласно рисунку 1.7 при обработке колец с отклонением от плоскостности = 0,5 мкм или достаточно жестких колец (D/C = 8) фактическое уменьшение исходного отклонения от плоскостности по проходам равно глубине шлифования to, что свидетельствует об отсутствии осевой упругой деформации деталей. В то же время из-за осевой упругой деформации при обработке колец с малой жесткостью (D/C = 20) уменьшение исходного отклонения от плоскостно 31 сти в начальный этап шлифования происходит на величину, меньшую, чем глубина шлифования.
Отмечается, что при синусоидальной форме отклонения от плоскостности торцов при последующей обработке (доводке торцов, шлифовании желобов с базой по торцам) всегда остается предпосылка упругой деформации в осевом направлении. При отсутствии синусоидальной формы отклонения от плоскостности при последующих операциях деформация кольца отсутствует.
Для исправления исходного отклонения от плоскостности и получения требуемой точности число проходов n должно быть равно: n = n1 + n2, где n1 – необходимое число проходов для исправления исходного отклонения от плоскостности; n2 – количество чистовых проходов, выбираемых согласно требуемой точности.
Считается, что на первом этапе величина деформации w не изменяется по проходам. Степень влияния величины упругой деформации w на количество проходов n 1 определяется жесткостью колец и режимами шлифования, влияющими на силу резания.
Эта методика учета осевых упругих деформаций при шлифовании торцов подшипников разрабатывалась для бесцентрового шлифования колец с D 200 мм малой жёсткости и использует упрощённую расчетную схему для определения осевых упругих деформаций. Использование в расчётной схеме модели тонкой пластинки ограничивает её применимость соответствующими теории тонких пластин соотношениями размеров колец.
В работах Колтунова И. И. [16-19] рассматривается математическое моделирование погрешностей формы при шлифовании внутренних криволинейных поверхностей колец подшипников с учётом действия сил закрепления, резания и деформаций. Для расчётов используется метод конечных элементов. Рассматриваются схемы шлифования: внутреннее патронное, бесцентровое методом поперечной подачи на роликах, бесцентровое на жестких опорах, каждая из которых отличается моделью станка, номенклатурой приспособлений, формой абразивного круга, режимами резания, а следовательно и погрешностью обработки. Разработанные модели могут быть использованы для сравнительной оценки погрешности обработки внутренних поверхностей наружных колец подшипников в зависимости от свойств элементов технологической системы на этапе проектирования операции шлифования.
Предпосылкой осевых упругих деформаций является начальное отклонение от плоскостности торцов колец. Величина осевой упругой деформации кольца зависит от жесткости поперечного сечения кольца при изгибе, способа приложения и величин усилий резания и закрепления заготовки кольца. Влияние различных факторов на величину составляющих силы резания при шлифовании рассматривается в работах [69-83]. Модели в этих исследованиях разработаны методами планирования эксперимента.
Для решения задачи определения оптимальных параметров шлифования колец крупногабаритных подшипников, обеспечивающих выполнение требований к качеству обработанной поверхности (отсутствие шлифовочных прижогов, заданные значения шероховатости и допуска плоскостности) при максимальной производительности процесса необходимо учитывать осевые упругие деформации кольца.
Исследования по оптимизации процесса плоского шлифования с обеспечением требуемого качества обработанной поверхности, методы решения задач рассматриваются в работах [82-93]. В работах [23, 90] рассматривается оптимизация процесса плоского шлифования с обеспечением параметра шероховатости обработанной поверхности Ra = 1, 25 – 2,5 мкм без выхаживания.
Математические модели осевой упругой деформации при закреплении и шлифовании торцов колец крупногабаритных подшипников
С целью повышения эффективности и скорости обработки полученных данных была разработана специальная программа «Export» (программа для ЭВМ № 2009615803), помимо этого программа имеет ряд иных функций. В качестве первичных данных используются высоты профиля, полученные при измерении шероховатости поверхности на приборе "Сейтроник ПШ8-4". Разработанная программа экспортирует первичные и расчетные данные всех параметров шероховатости поверхности, полученных программой "Profil" от прибора "Сей-троник ПШ8-4" в документ типа «MSExcel» [12].
Для серии опытов проводим сравнение дисперсий с помощью статистического критерия Кохрена, в случае однородности дисперсий, сравнение средних значений осуществляем по методике однофакторного дисперсионного анализа.
Волнистость поверхности образца измеряли с помощью профилографа FORM TALYSURF INTRA, представляющего щуповой контактный профилометр-профилограф, который разработан для измерения отклонения формы, волнистости, шероховатости, плоскостности и других параметров с высокой точностью. Основание и колонна прибора изготовлены из искусственного гранита обеспечивают термостабильность и виброзащиту. Т-образные пазы в столе позволяют устанавливать специальные крепежные приспособления. Индуктивный датчик прибора, разработанный на базе фазового шкального интерферометра, позволяет проводить измерения широкого круга поверхностей. Ходовая каретка прибора, регулируемая по высоте крепежным винтом, содержит индуктивный датчик, в который устанавливается щуп. Щуп изготовлен в виде «коромысла», лежащего на опоре, в один конец которого (закрепленный в датчике) установлен сердечник, представляющий собой ферримагнитный стержень, перемещающийся по вертикальной оси в катушках индуктивности, а во второй конец с латунной головкой впаян алмазный наконечник заданного диаметра.
После ощупывания поверхности в окне программного обеспечения прибора отображается полный профиль, готовый для дальнейшего анализа: применения различных типов фильтров, выбора номинальных форм базовых линий для расче 53
та, выделения необходимого (удаления ненужного) участков профиля для анализа, представления результатов в виде, необходимом пользователю.
Полученные данные могут быть сохранены для проведения дальнейших исследований или расчетов на жестком диске, экспортированы при необходимости использования другими программами, распечатаны на принтере.
Отклонение от плоскостности торцов колец подшипников измеряли на трехкоординатной измерительной машине (КИМ) Millennium – это измерительная система, позволяющая проводить измерения координат элементов материальных объектов с построением поверхностей стандартных форм для определения их линейно-угловых размеров и взаимного расположения.
Использование прецизионного перемещения измерительной головки в трех направлениях обеспечивает измерение объектов в декартовой системе координат X, Y, Z. Измерения могут производиться в ручном и микропроцессорном режимах.
Программные продукты, поставляемые изготовителями КИМ, позволяют осуществлять измерения с использованием контактных и сканирующих головок. Программа имеет удобное окно интерфейса (рисунок 2.15).
Рисунок 2.15 - . Программное обеспечение КИМ 1 (окна измерений) - для выбора типа формы измеряемой поверхности. 2 (графическое представление) - отражает перемещения измерительной головки и процедуру измерения. 3 (окно инструментов) - для проведения калибровки, просмотра результатов текущих измерений, сканирования, результатов сравнения с математической моделью или шаблоном. Во время проведения измерений в ручном или в автоматическом режиме на экране будут отображаться все выполняемые действия (перемещения щупа, точки контакта, построение элементов, оси измерения и т.д.). На запуск программы понадобится некоторое время, после чего на экране появится окно с запросом на проведение инициализации машины. После проведения инициализации установить необходимый щуп и провести калибровку. После проведения калибровки машина готова к проведению измерений. Для проведения измерения необходимо выбрать один из вариантов измерения из предлагаемого списка стандартных форм, и следуя указаниям программы провести измерение выбранного количества точек на поверхности. При необходимости можно сменить систему отсчета (начало и направление осей), создавать базовые точки, создавать плоскости и т.д.
Страница результатов измерения позволяет отражать необходимые для распечатки результаты измерений, задавать допуска, вводить комментарии.
Для вычисления коэффициента шлифования Кш определялся износ рабочей поверхности круга. Износ рабочей поверхности круга при шлифовании является сложным механическим и физико-химическим процессом, протекание которого зависит от всех условий обработки: режима, характеристики круга, свойств обрабатываемого материала и др. [101].
Для измерения износа поверхности круга разбивали его окружность на 24 одинаковых сектора. В каждом секторе по одной длине производили измерения с помощью стрелочного индикатора со шкалой деления 1 мкм (ГОСТ 577-68). Для оценки качества поверхности было выбрано 6 точек на базовой поверхности и 6 точек на рабочей (рисунок 2.17).
Регрессионные модели шероховатости обработанной поверхности (параметр Rа) и коэффициента шлифования
При планировании эксперимента к факторам предъявляются два основных требования: совместимость и некоррелированность. Под совместимостью понимается возможность сочетания любых уровней факторов внутри заданной области определения при сохранении целостности изучаемого процесса. Некоррелированность означает возможность изменять значение каждого из рассматриваемых факторов независимо друг от друга. Невыполнение хотя бы одного из требований приводит к невозможности использования методики планирования эксперимента для разработки модели процесса. Правильный выбор факторов позволяет четко задавать условия опыта.
Разработка модели усилий резания осуществлялась методом полного факторного эксперимента типа 2k.
Планирование, проведение и обработка результатов ПФЭ состоит из следующих обязательных этапов: кодирование факторов; составление план-матрицы эксперимента; рандомизация опытов; реализация плана эксперимента; проверка воспроизводимости опытов; проверка адекватности линейной модели; оценка значимости коэффициентов полинома.
Рассмотрим процесс плоского врезного шлифования заготовки из стали ШХ15. Результатами планирования являются математические модели составляющих силы резания, приведенные к единице ширины обрабатываемой поверхности (py, pz), коэффициента шлифования (Кш) и шероховатость обработанной поверхности (параметр Ra). Касательная составляющая силы резания Pz характеризует тепловую напряженность в зоне шлифования. Поэтому её используют в качестве критерия, определяющего вероятность образования шлифовоч 90 ных прижогов [53]. Радиальная составляющая силы резания Ру оказывает влияние на возникновение осевых упругих деформаций при шлифовании заготовки.
В качестве абразивного инструмента использовали шлифовальные круги, отличающиеся зернистостью абразивного материала и твердостью.
Процесс плоского врезного шлифования характеризуется следующими факторами: характеристиками круга, режимами резания, физико-механическими свойствами обрабатываемого материала, используемой смазочно-охлаждающей жидкостью и т.д.
Из анализа литературных источников и по результатам предварительных экспериментов в качестве входных факторов при моделировании процесса шлифования выбраны следующие параметры характеристики абразивного инструмента и режима шлифования [23, 69-81, 100, 101]: F – зернистость, меш. (ГОСТ Р 52381); с1 (х1) – твёрдость шлифовального круга, определяемая звуковым методом по приведенной скорости распространения акустических волн, м/с (ГОСТ Р 52710); t (х2) – глубина шлифования, мм/ход; vs (х3) – скорость подачи стола, м/мин. В скобках дано условное обозначение кодированных значений фактора.
Для достижения поставленной цели необходимо было выбрать интервалы варьирования факторов. Часто, особенно при оптимизации процесса, вначале целесообразно описать его линейным уравнением. Для получения линейного уравнения интервал варьирования выбирают небольшим. Но вместе с тем он должен быть и достаточен, чтобы не получить ошибочного вывода о незначимом влиянии какого-либо из факторов.
С учётом производственного опыта были выбраны следующие диапазоны варьирования входных факторов: F - от F60 до F46; с1 - от 4504 м/с (K) до 4930 м/с (L); t - от 0,01 до 0,02 мм/ход; vs от - 10 до 20 м/мин.
В результате сравнения дисперсий выходных факторов процесса по критерию Кохрена было установлено, что в рассматриваемом диапазоне варьирования дисперсии выходных факторов неоднородны, то есть не выполняется обязательное условие математического моделирования с использованием методики рационального планирования эксперимента. Снижение различия дисперсий достигается уменьшением интервала варьирования факторов. С целью сохранения выбранных интервалов было принято решение о разделении некоторых факторов.
Наибольшие дисперсии выходных параметров наблюдаются при шлифовании кругами различной зернистости. Исходя из этого, математические модели выходных параметров процесса шлифования разрабатывали в отдельности для каждой зернистости. Дисперсии составляющих силы резания для кругов одной зернистости в данном случае, как будет показано далее, можно считать однородными.
Как будет показано ниже, составляющие силы резания значимо зависят от объёма удаляемого материала или наработки. В связи с этим наработка была введена в математические модели в качестве четвертого входного фактора. Наработку, как и составляющие силы резания приводили к единице ширины обрабатываемой поверхности – приведенная наработка Vп (х4), мм3/мм=мм2. Изменение зернистости и твердости круга обеспечивалось путем замены инструментов. Режимы резания регулировались на станке. Число параллельных опытов – 3.
