Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса и постановка задачи исследования 12
1.1 Требования машиностроительных отраслей к оборудованию и к технологии шлицешлифования 12
1.2 Многоинструментальная и многосторонняя обработка деталей 23
1.3 Анализ методов оценки энергоэффективности процесса и оборудования для шлицешлифования 33
1.4 Сравнительный анализ компоновок шлицешлифовальных станков 37
1.5 Выводы 45
ГЛАВА 2 Разработка метода оценки эффективности процесса и оборудования для шлицешлифования 47
2.1 Постановка задачи и анализ методов оценки энергоэффективности процесса и оборудования для шлицешлифования 47
2.2 Оценка энергоэффективности металлорежущих станков и их классификация 55
2.3 Разработка методики оценки показателей точности при шлицешлифовании 66
2.4 Метод оценки общей эффективности процесса и оборудования для шлицешлифования 82
2.5 Выводы 84
ГЛАВА 3 Экспериментальные исследования процесса двустороннего шлицешлифования 86
3.1 Объект и условия проведения экспериментов 86
3.2 Анализ баланса податливости элементов шлицешлифовального станка 93
3.3 Исследование динамических характеристик упругой системы станка 99
3.4 Исследование точностных и энергетических параметров процесса шлицешлифования 110
3.5 Выводы 120
ГЛАВА 4 Разработка методики оценки показателей эффективности при шлицешлифовании 122
4.1 Особенности назначения припусков при шлицешлифовании 122
4.2 Разработка расчетной модели упругой системы станка для двустороннего шлицешлифования 124
4.3 Исследование станка для двустороннего шлицешлифования 135
4.4 Анализ производительности и общей эффективности станков для новых методов шлицешлифования и разработка мер по их повышению 141
4.5 Выводы 147
Заключение 149
Список литературы
- Анализ методов оценки энергоэффективности процесса и оборудования для шлицешлифования
- Оценка энергоэффективности металлорежущих станков и их классификация
- Анализ баланса податливости элементов шлицешлифовального станка
- Разработка расчетной модели упругой системы станка для двустороннего шлицешлифования
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Повышение эффективности обработки изделий является одним из основных направлений развития машиностроения. Эффективность является комплексным показателем, зависящим от годовой программы выпуска изделий, приведенных затрат и других факторов. Одними из основных направлений повышения эффективности являются увеличение производительности обработки и снижение энергозатрат при одновременном обеспечении высокой точности.
Шлицевые соединения получили широкое распространение в самых различных отраслях машиностроения: автомобилестроении, автотракторостроении, сельхозмашиностроении и многих других. Закаливаемые шлицевые валы, а также валы с центрированием по внутреннему диаметру в качестве окончательной операции подвергаются обработке шлицешлифованием.
Известные способы шлифования шлицев на валах имеют ограничения в повышении производительности, что обусловлено значительными цикловыми потерями времени, низкой жесткостью заготовок и несущей системы шлицешлифовальных станков, высокой теплонапряженностью процесса и быстрым снижением режущей способности инструмента.
Технический уровень станка не может быть оценен только по набору отдельных, даже весьма важных показателей, и характеризуется совокупностью конструктивных, технологических и экономических параметров и характеристик, обеспечивающих эффективное использование станка.
Существующий уровень эффективности шлицешлифовальных станков не в полной мере удовлетворяет растущим потребностям машиностроения в качественных шлицевых соединениях, а традиционные методы обработки не позволяют получить заметный эффект в этой области.
Для повышения эффективности станков и методов шлицешлифования, а также методов их оценки должны быть выбраны взаимосвязанные показатели производительности, энергоэффективности и точности. Поэтому обоснование и выбор рационального сочетания указанных показателей при создании новых станков и методов шлицешлифования является актуальной задачей.
Степень разработанности. Значительный вклад в исследование вопросов повышения эффективности методов обработки и оборудования внесли отечественные и зарубежные учёные, в том числе Пуш В.Э., Проников А.С., Соломенцев Ю.М., Григорьев СИ, Ильичев А.В., Колесников А.В., Кузнецов А.П., Gutowski Т., Sutherland J., Dahmus J., Dornfeld D., Thiriez A., Koriath H-J., Putz M. и др. Авторы в своих работах предлагают расчётные и эмпирические модели и методы определения показателей эффективности
станков, методы оценки процессов обработки резанием и выбора параметров для их вычисления.
Повышению производительности и точности при шлицешлифовании посвящены работы Луцкова Е.И., Воскресенского Л.А., Трифонова О.Н., Ермолаева В.К., Коныпина А.С. и др. Общие направления повышения производительности шлицешлифовальных станков раскрыты в работах Лурье Г.Б., Карабчиевского Л.П., Болоновой Е.В., Лурье М.З. и др. Анализ работ перечисленных авторов показал, что при использовании систем автоматического регулирования процесса шлицешлифования снижается качество поверхности на отдельных участках, и это требует увеличения количества проходов, т.е. снижения производительности. Глубинное шлицешлифование, повышающее производительность в 1,5 - 2 раза, не получило достаточно широкого применения из-за конструктивных и технологических сложностей его реализации. Существующие пути повышения производительности на таких станках в значительной степени исчерпаны. Следовательно, необходимо системное рассмотрение вопросов повышения эффективности шлицешлифовальных станков на основе разработки новых методов шлицешлифования и оборудования для их реализации.
Целью работы является повышение производительности, энергоэффективности и точности шлицешлифовальных станков на основе разработки новых методов шлицешлифования.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
- установить связи технологических, технических и энергетических
характеристик шлицешлифовальных станков с параметрами и
характеристиками производительности, энергоэффективности и точности;
- обосновать существенные параметры, формирующие показатели
эффективности станков и методов шлицешлифования;
разработать модели для оценки интегральных характеристик эффективности по показателям производительности, энергоэффективности и точности шлицешлифовальных станков;
предложить новые методы шлицешлифования для повышения показателей эффективности станков;
разработать конструкции основных узлов станка на основе предложенных методов эффективного шлицешлифования;
провести экспериментальные исследования станков, использующих новые методы шлицешлифования для оценки показателей производительности, энергоэффективности и точности;
- разработать методические рекомендации для повышения эффективности
создаваемых шлицешлифовальных станков.
Методы исследований. Результаты работы получены на основе теоретических положений технологии машиностроения, конструирования и динамики металлорежущих станков, теоретической механики, математического моделирования, теории матриц и матричного исчисления с применением средств вычислительной техники в виде комплексов программ, разработанных на кафедре станков ФГБОУ ВО МГТУ «СТАНКИН».
Обработка результатов экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных и производственных условиях с использованием современных средств измерения и вычислительной техники, подтвердила адекватность математических моделей упругой системы станка для двусторонней обработки и процесса формообразования при шлицешлифовании.
Результаты, полученные автором и выносимые на защиту:
- энергоинформационная модель оценки интегральных характеристик
эффективности по показателям производительности, энергоэффективности и
точности шлицешлифовальных станков;
новые методы двустороннего и комбинированного шлицешлифования и принципы их построения, обеспечивающие повышение показателей эффективности станков на основе анализа и оценок их параметров и характеристик энергоинформационной модели;
математические модели упругой системы шлицешлифовального станка для двусторонней обработки и процесса формообразования, устанавливающие связь между погрешностями изделия и смещениями в положении шлифовального круга и заготовки;
- основные уравнения и соотношения для прогнозирования точности
обработки шлицевых изделий при проектировании шлицешлифовальных
станков;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований
параметров и характеристик станков и методов шлицешлифования для
сравнительной оценки показателей производительности, энергоэффектив
ности, точности и их общей эффективности при шлицешлифовании.
- разработанные рекомендации по проектированию новых конструкций
шлицешлифовальных станков для комбинированной и двусторонней
обработки.
Научная новизна работы заключается:
- в формализованных взаимосвязях энергетических, технологических,
эксплуатационных характеристик шлицешлифовальных станков с парамет
рами и характеристиками производительности, определяемыми основным и
вспомогательным временем обработки, энергоэффективности, определяемой затратами энергии на формообразующие движения скорости и подачи, и точности, определяемой погрешностями обработки, задаваемой в виде входной, выходной и преобразуемой в процессе шлифования информации;
- в экспериментально подтвержденной математической модели формирования
припуска на шлифование шлицев, отражающей зависимость припуска от
поперечных и продольных размеров детали и вида термообработки, такой, как
закалка ТВЧ, объемная закалка, цементация и закалка;
в математической модели формообразования при шлицешлифовании, устанавливающей связь между погрешностями изделия и смещениями относительного положения шлифовального круга и детали в процессе обработки под действием сил резания;
в математической модели динамических свойств упругой системы шлицешлифовального станка для двусторонней обработки, включающей базовые детали, шпиндельные узлы, механизмы, заготовку в центрах и другие элементы конструкции, которые обеспечивают силовое замыкание и позволяют прогнозировать показатели точности обработки;
во взаимосвязях между конструктивными параметрами станка, включающими компоновку, размеры, жесткостные и диссипативные характеристики узлов, и эксплуатационными характеристиками шлицешлифо-вальных станков, включающими схему и режимы обработки, структуру цикла, режимы правки кругов, СОТС, которые позволяют оценить показатели производительности, энергоэффективности и точности шлифования; Теоретическая значимость работы заключается:
- в разработке комплексной модели закономерностей и взаимосвязей
показателей производительности, энергоэффективности и точности в
повышении общей эффективности шлицешлифовальных станков и методов
шлицешлифования;
Практическая значимость работы заключается:
в рекомендациях по выбору режимов резания и применению новых методов двустороннего и комбинированного шлицешлифования, обеспечивающих повышение производительности, энергоэффективности и точности на станках для двусторонней обработки;
в рекомендациях по конструированию шлицешлифовального оборудования на основе предложенных компоновок с учётом требуемых показателей производительности и точности обработки;
- в разработке математической модели процесса формообразования и
расчётной модели упругой системы шлицешлифовального станка,
позволяющих прогнозировать отклонения от прямолинейности шлицев по
вычисленным или измеренным линейным и угловым деформациям формообразующих элементов;
в методике расчёта и оценки сравнительной эффективности применения новых технологий и оборудования для шлицешлифования деталей известными и новыми методами;
в разработке программно-математического обеспечения для расчета величин отклонений от прямолинейности поверхностей внутреннего диаметра и боковых сторон шлицев (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Прогнозирование точности при шлицешлифовании на станке для двусторонней обработки» № 2016610310).
Достоверность результатов работы обеспечивается обоснованным использованием применяемого математического аппарата, непротиворечивостью полученных результатов, подтвержденных экспериментами, а также практическим использованием материалов диссертации. Результаты экспериментальных работ получены на основании исследований, проведенных в производственных условиях на Московском станкозаводе шлифовальных станков (МСЗ), и подтверждаются согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями, а также практическим использованием результатов работы в промышленности.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на заседаниях кафедры станков в МГТУ «СТАНКИН» в 2010-2015 гг., на V Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем (Ростов-на-Дону, 1997 г.), на научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Уфа, 2014 г.), на XVI и XVII научных конференциях «Математическое моделирование и информатика» (МГТУ «СТАНКИН», 2014 и 2015 гг.).
Реализация результатов работы. Работа выполнялась в МГТУ «Станкин» в рамках хоздоговорных тем (№№ гос.рег. 01890046680, 01850081771) и в рамках гос. задания № 9.1429.2014/К при поддержке Минобрнауки РФ в сфере научной деятельности.
Результаты диссертационной работы приняты и будут использованы при создании шлицешлифовальных станков нового поколения в ЗАО «МСЗ-Салют», рекомендуются для применения на предприятиях, производящих станочное оборудование, а также в учебном процессе при подготовке инженерно-технических и научно-педагогических кадров по направлениям «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» и «Машиностроение».
Публикации. По теме диссертации опубликованы 17 печатных работ, из них 9 - в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, получено 5 авторских свидетельств на изобретение и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 159 наименований и приложений. Работа содержит 150 машинописных страницы основного текста, 70 рисунков, 32 таблицы.
Анализ методов оценки энергоэффективности процесса и оборудования для шлицешлифования
Многоинструментальная обработка на шлифовальных станках. Она применяется для повышения производительности. Например, на станках фирмы Peter Wolters s серии DDG 450/600 (рисунок 1.6) [158] применены две шлифовальные бабки, расположенные одна над другой, что позволяет вести плоское шлифование заготовки одновременно с двух сторон. Данная конструкция гарантирует не только повышение производительности, но и точности. Однако существуют детали, которые можно обрабатывать только на горизонтальном двухшпиндельном станке для двустороннего шлифования.
Фирма CHERNG DAR разработала горизонтальные шлифовальные станки с ЧПУ с двумя и тремя контролируемыми осями, которые можно устанавливать в одну производственную линию с другими станками (бесцентрово 24 шлифовальными, токарными и т.д.) для увеличения производительности труда и уменьшения себестоимости продукции (рисунок 1.7).
Многопозиционная обработка. Позволяет совмещать время установки/снятия заготовки с машинным временем, тем самым значительно снижая вспомогательное время и увеличивая производительность процесса. На рисунке 1.8 изображен шлифовальный станок с двухпозиционным столом.
Двустороннее точение. Одним из методов повышения точности и производительности обработки является метод компенсации сил, действующих на технологическую систему. Например, при токарной обработке длинного вала его форма будет цилиндрической, если станок и заготовка не будут деформироваться под действием сил резания. На практике отклонения от цилиндрической формы детали в виде бочкообразности или седлообразности вызываются податливостью станка и заготовки. Следовательно, на точность обработки валов малой жесткости оказывает влияние множество факторов, главным из которых является радиальная составляющая силы резания. На рис. 1.10 показана схема двустороннего точения вала одновременно двумя резцами, при которой происходит взаимная компенсация сил резания. Двустороннее фрезерование. Фрезерование пластин двумя фрезами одновременно с двух сторон (рисунок 1.11) повышает производительность более чем в 2 раза по сравнению с обычными схемами фрезерования, что нашло применение на двухшпиндельном фрезерном станке мод. THV-800 компании AMADA [159]. Станок предназначен для высококачественной обработки плит разных материалов. Полностью автоматический процесс обработки всех 4-х поверхностей без фиксирования заготовки обеспечивает параллельность и перпендикулярность поверхностей (0,02 мм/300 мм и меньше) и точность углов.
Двустороннее накатывание шлицевых поверхностей. Одним из способов получения шлицевых поверхностей является холодное накатывание, которое выполняют зубчатыми роликами, плоскими зубчатыми рейками или многороликовой головкой (рисунок 1.12) [77]. Такая технология позволяет избежать термообработки и дальнейшей механической обработки
Схема холодного накатывания шлицев: а - круглыми роликами; б рейками; в - многороликовой головкой Накатывание зубчатыми роликами осуществляется за счёт вращения роликов, между которыми перемещается заготовка. Ролики устанавливаются на заданное межосевое расстояние и оно остаётся постоянным во время накатывания, а заготовка – в центрах резьбонакатного или специального шлиценакатного станка. Накатывание шлицев плоскими зубчатыми рейками выполняется на полную высоту шлица и на всю длину за один рабочий ход. Этот метод производительнее, чем накатывание роликами, но из-за больших сил, возникающих при этом, не рекомендуется для накатывания шлицев, длина которых более 80-100 мм [77].
При накатывании многороликовой головкой число и форма рабочей поверхности роликов должны соответствовать числу и форме шлицевой поверхности.
Двустороннее шлифование. В автомобильной, подшипниковой и авиационной промышленности широко используются двустороннее торцевое шлифование для обработки торцевых параллельных поверхностей. Две параллельные противоположные поверхности обрабатываются одновременно узлом из двух шлифовальных кругов. Наиболее распространенным примером являются кольца подшипников качения, поршневые кольца, регулировочные и уплотнительные шайбы, дистанционные прокладки, шатуны, а также ножи и режущие диски.
Станки с горизонтальной осью более технологичны и просты в обслуживании и ремонте. Станки с вертикальной осью применяют в основном для чистового шлифования деталей типа тонких колец и пружин. Такие детали удобнее загружать и измерять, когда они лежат на торце.
Принципиальная схема шлифования представлена на рисунке 1.13. Как перемещение, так и продвижение заготовок через пространство между шлифовальными кругами выполняют либо вращающиеся диски с отверстиями (рисунок 1.13, а), либо в некоторых случаях - линейные направляющие (рисунок 1.13, б).
Для уравновешивания сил резания при обработке шлифовальные круги вращаются, как правило, в противоположные стороны. Только для нежестких деталей типа пружин применяется однонаправленное вращение кругов.
Станкозавод «Красный борец» выпускает специальный двухшпиндельный пазошлифовальный станок с ЧПУ ОШ-627Ф3 (рисунок 1.14). Он предназначен для однопроходного шлифования с двух сторон детали типа замка турбинной лопатки по целому. Шлифовальный круг Рис. 1.14 Пазошлифовальный станок ОШ-627Ф3 и схема обработки. Профильное глубинное шлифование. Глубинное шлифование является разновидностью силового [97, 98]. При профильном глубоком шлифовании снятие всего слоя производится всего за один - максимум три перехода, но на пониженной скорости продвижения, составляющей около 200 мм/мин. Данный вид абразивной обработки чаще всего применяется при изготовлении деталей турбин из высоколегированных, жаростойких материалов (рисунок 1.15).
Во избежание теплового повреждения (прижога) используются высокопористые корундовые шлифовальные круги на керамической связке малой твердости [99]. Чтобы не допустить потери формы мягкими шлифовальными кругами, при профильном глубоком шлифовании они часто подвергаются процессу непрерывной правки. В этом случае профильный алмазный ролик непрерывно (постоянно) контактирует со шлифовальным кругом и правит его приблизительно на 0,2 мкм за один оборот круга. На рисунке 1.16 представлена схема глубинного шлифования ёлочного профиля лопаток турбин на специализированном полуавтомате с двумя горизонтальными шпинделями и двухпозиционным столом.
Электроалмазное шлифование. Является одним из прогрессивных методов финишной обработки [17, 60, 123]. Шлифование следует рассматривать как разновидность размерного электрохимического метода обработки, при котором обязательным является сочетание двух процессов: электрохимического, обусловливающего съем материала с обрабатываемой поверхности в результате анодного растворения шлифуемого твердого сплава и механического удаления продуктов анодного растворения алмазными зернами, выступающими из шлифовального круга. Металл, удаляемый с обрабатываемой поверхности, разрушается на 75 % электролитически и на 25 % абразивным действием круга. На рисунке 1.17 показана схема электроалмазного шлифования пера вентиляторных лопаток.
Оценка энергоэффективности металлорежущих станков и их классификация
Потребляемая мощность станка измеряется напрямую (на основе величины входной мощности). При шлифовании мощность процесса обработки рассчитывается путем перемножения силы и скорости (или крутящего момента и частоты вращения). Потребляемая энергия и, как следствие, энергоэффективность станка, рассчитывается на данном этапе интегрированием мощности по интервалу времени, требуемому на обработку:
Уравнение (1.2) также показывает, что на величину реальной энергоэффективности станка влияет способ эксплуатации станка.
Составление энергетического баланса в работе [52] осуществляется на основе сравнения входных и выходных параметров (при этом их суммы должны быть равны). Энергетический баланс описывается при помощи следующих параметров: подводимой от производственной системы входной энергии в , равной сумме прибавочной энергии п э и потерь энергии Еп э . Соотношение данных параметров описывается простым уравнением:
Евх=Епр.э+Еп.э-Энергетический баланс станка с в работе [52] предлагается описывать следующим уравнением: Ест=Епр.об+Еп.ст . Из уравнений видно, что в соответствует E ст , п соответствует п б , п соответствует п . При этом полезная энергия (энергия процессов обработки) рассматривается вне границ системы (в качестве выходной характеристики), вследствие этого осуществляется сравнение тепловых потерь, возникающих в процессе преобразования и транспортировки энергетических потоков. Энергия процессов обработки [52] обычно является механической энергией формообразования и энергией подвода вспомогательных сред. Тогда энергетический КПД станка будет равен:
Следует отметить, что при помощи составления баланса нельзя рассчитать по отдельности характеристики технологических процессов и характеристики станка в целом [50]. В данном случае допускается, что потребляемая в процессе обработки энергия является константой. Исходя из этого, энергетический КПД станка можно повысить либо путем увеличения потребляемой в процессе обработки энергии, либо путем уменьшения потерь энергии. Кроме того, в процессе вспомогательных операций КПД станка падает до нуля (не тратится энергия процессов обработки). Для разработки станков со сниженным энергопотреблением необходимо уменьшить вспомогательное время станка (к примеру, уменьшить время подачи инструмента). Однако ускорение процессов обработки и увеличение скоростей подачи приводит к возникновению новых проблем. В ГОСТ РФ 54430-2011. «Металлообрабатывающее и деревообрабатывающее оборудование. Показатели энергоэффективности. Номенклатура. Методы определения и нормирования значений - энергетические параметры» [25] описывается методика расчета различных энергетических параметров. Все параметры подразделяются на основные и вспомогательные, причем параметры определяются как на этапе проектирования, так и в процессе экспериментальных испытаний. В работе [25] предлагается проводить оценку энергетического КПД станка по цикловой электроэнергии, которая рассматривается как коэффициент полезного действия доли энергии формообразования Ж, относительно потребления энергии оборудованием за время цикла обработки W: TJ =W ,/W, (1.4) З.ІЛ. 3.(1). С другой стороны, если соотнести затраты энергии на всю партию п деталей, которая будет изготовлена, то получим значение показателя Э отнесенного к одной детали Э =W/n. Кроме этого, предлагается также учитывать и режим работы станка без обработки изделия как на холостом ходу, так и при имитации. В целом предлагается проводить расчет суммарного потребления энергии в таких системах, как освещения, управления, автоматики и других функциональных системах, для которых в таблицах приводятся известные выражения их расчета. Вводятся основные и дополнительные показатели, которые формируются по различным комбинациям составляющих элементов энергопотерь. При этом под расходом энергии на «полезную» работу понимается процесс формообразования, а остальная необходимая энергия состоит из различных потерь в устройствах, производящих работу различной физической природы: гидравлической, механической и др.
Сравнительный анализ компоновок шлицешлифовальных станков производится с целью выявления компоновки, наиболее полно отвечающей требованиям обеспечения точности обработки детали.
Задача оценки качества компоновки состоит в определении “слабых” звеньев, снижающих жесткость упругой системы станка [14, 15, 21, 114-116]. Поэтому на ранней стадии проектирования за один из критериев качества компоновки можно принять погрешность взаимного положения инструмента и заготовки, обусловленную только угловыми смещениями узлов станка под действием силы резания [1, 3, 21].
Сравнительный анализ компоновок возможен при следующих условиях: одинаковые размеры рабочего пространства сравниваемых компоновок; одинаковые технологические возможности сравниваемых станков; применение модульного принципа конструирования компоновок станков [2], при котором компоновку станка создают на основе ограниченной номенклатуры функционально и конструктивно законченных модулей (столов, шлифовальных кареток и др.), имеющих унифицированные присоединительные элементы (направляющие); применение одинакового инструмента как по размерам, так и характеристикам; одинаковый силовой характер процесса шлифования.
Анализ баланса податливости элементов шлицешлифовального станка
Изучение и анализ существующих методик оценки точности при обработке на станках [8, 32, 62, 80, ПО, 111, 124] не позволяет в полной мере решить вопрос определения точности шлицешлифования, а также учесть влияние динамических погрешностей при двусторонней обработке.
Так в работе [32] приведен вариационный метод расчета, позволяющий связать между собой точность обработки поверхностей на станке с точностью положения и перемещения узлов станка, и, помимо геометрических параметров, учитывающий статические деформации шлифовального круга. Однако данная методика требует знания элементарных погрешностей узлов и деталей станка, выявляемых на этапах эскизного и рабочего проектирования (величины биений, перекосов, смещений, разворотов осей и т. д.) и позволяет определить только статические погрешности формообразования. Она неудобна и для процедуры идентификации и оптимизации, но эта методика может быть полезна при разработке требований к шлицешлифовальным станкам, их узлам и механизмам, а также выработке рекомендаций, направленных на совершенствование их конструкций.
Расчет точности шлицешлифования, изложенный в работе [62], позволяет в явном виде установить степень влияния каждого параметра модели на величину погрешности обработки, выбрать из них те, которые обусловлены конструкцией станка и податливостью его упругой системы, сформировать критерии оценки станка и наметить эффективные пути уменьшения погрешности обработки на этапе проектирования, в том числе при выборе его компоновки. Но существующая методика применима к зубошлифованию эвольвентной поверхности методом обката.
Поэтому обработка на станках при двустороннем шлицешлифовании требует разработки новой методики расчета точности, учитывающей специфику станка.
Погрешности, вызванные действием вышеперечисленных факторов, неодинаково передаются на шлифуемые поверхности и после перехода шлица в зону обработки противоположным кругом отрицательно влияют на продолжение работы. Рассмотрение ранее известных методик показало возможность использования для расчета точности матричного метода [59], который позволяет установить связи между упругими смещениями деталей и узлов шлицешлифовального станка, с одной стороны, и погрешностями формы, размеров и расположения обработанных поверхностей шлицев, с другой. Как было показано, при шлицешлифовании возникают отклонения формы в продольном сечении. Существующее аналитическое решение задачи расчета этого отклонения [80] требует знаний элементарных погрешностей и деформаций узлов и деталей станка, влияющих на точность обработки.
В предлагаемой методике, разработанной на основании известного принципа формализации процесса образования погрешностей обработки [8], максимально упрощен расчет отклонения при существенном сохранении качественной стороны явления и достаточной количественной точности.
Применение выше упомянутого принципа и математического аппарата позволяет составить уравнения обработанных поверхностей шлицевого изделия и, при заданных, полученных экспериментально или вычисленных смещениях узлов и деталей станка, рассчитать точность обработки детали (см. главу 4).
Профиль шлицевого вала формируется торовой и конической поверхностями шлифовальных кругов (рисунок 2.7), и поэтому для получения модели формообразования в данной работе рассмотрены три параметрических уравнения, характеризующих форму круга, одно из которых описывает его торовую часть, а два других - конические поверхности [126].
В качестве примера на рисунке 2.8 приведена схема обработки при шлифовании нижним кругом. При этом начало системы координатX1,71,Z1 (точка 0{) нижнего круга расположено в плоскости, проходящей через правый торец шлифуемой заготовки таким образом, что ее ось ОхХх параллельна оси заготовки и смещена относительно нее на величину А = R + RТ, где R = D12 радиус круга, расположенный в плоскости, проходящей через его середину, перпендикулярно оси круга; RТ = d 12 - радиус окружности заготовки с внутренним шлифуемым диаметром d, обработанным торовой поверхностью круга.
Разработка расчетной модели упругой системы станка для двустороннего шлицешлифования
Точность готового изделия и качество поверхностного слоя шлифованных шлицев в немалой степени зависят от величины назначенного припуска на эти операции. С одной стороны, назначенный припуск должен быть достаточным для удаления дефектного слоя металла и устранения всех предшествующих операций технологического процесса, а, с другой стороны, его нельзя назначить заведомо завышенным, поскольку лишний съем металла с поверхности шлицев приводит не только к увеличению времени финишной обработки, но и к ухудшению механических свойств стали (в особенности цементованной) и, в конечном счете, к уменьшению срока службы шлицевого соединения [76]. Припуск на шлицешлифование зависит от следующих факторов: - погрешностей нарезания шлицев (шлицефрезерования, зубофрезерования или зубодолбления); - погрешностей, связанных со сменой баз при изготовлении изделия; - погрешностей, вызванных деформациями при термообработке. В большинстве случаев величина припуска в наибольшей степени предопределяется термическими деформациями, которые, в свою очередь, зависят от конфигурации шлифуемой детали, марки стали и вида термообработки, культуры производства в термическом цехе и т.п.
Приведенные в работах [90-92 и др.], а также изложенные в руководствах по эксплуатации шлицешлифовальных станков сведения о значениях припусков отличаются простотой и четкостью, но не лишены существенных недостатков. Например, в них отсутствуют какие-либо указания о допуске назначенного припуска, указания о зависимости припуска от марки стали и виде термообработки, а также от продольных размеров изделия.
Припуск на толщину зуба при шлифовании шлицевых валов предлагается рассчитывать по формуле: АЮ=2-Л/А21Ю+А22Ю, (4.1) где А1ш - накопленная погрешность шага шлицевого изделия перед шлифованием, которая устанавливается измерением этого параметра в партии деталей или определяется в зависимости от наружного диаметра шлицевого вала и вида термообработки по таблице 4.1; А2ш - отклонение от параллельности боковых поверхностей зубьев вала или втулки относительно оси центрирующей поверхности. Все величины, входящие в формулу (4.1), имеют одинаковую размерность (мм или мкм). Согласно ОСТ 12.44.124-79 [67] принимаем А2ш = 80 мкм, если длина шлица не более 100 мм, и А2ш = 80l/100 мкм, если длина шлица более 100 мм, (где l- длина шлица, мм). Таблица 4.1. Ожидаемая накопленная погрешность окружного шага в зависимости от вида термообработки Вид термообработки Ожидаемая накопленная погрешность окружного шага А1ш, мкм, при наружном диаметре шлицевого вала d, мм 32 32…50 50…100 100 Цементация и закалка 125 140 180 250 Объемная закалка 90 100 125 180 Закалка с нагревом ТВЧ 63 70 90 125 Улучшение 45 50 63 90 Приведем пример расчета припуска на шлифование шлицевого вала d -10 х 112 х 125, из стали 20Х2Н4А с цементацией и закалкой до твердости 5660 HRC и имеющего длину шлица l = 140 мм.
Формула (4.1) применима в первую очередь для прямобочных, но может быть распространена и на эвольвентные шлицы, так как допуск на погрешность профиля последних не стандартизован и в большинстве случаев не нормируется. Методика расчета припуска при шлицешлифовании в этом случае аналогична методике [112] расчета припуска при шлифовании зубьев, является более универсальной за счет учета большего числа факторов.
Задача определения точности обработки на шлицешлифовальных станках в первую очередь включает в себя выявление смещений элементов упругой системы станка, и, прежде всего, в точке взаимодействия круга с поверхностью заготовки. Для решения этой задачи, на основании анализа баланса податливости и динамических экспериментов (см. главу 3), шлицешлифовальный станок был представлен в виде следующей расчетной схемы (рисунки 4.1, 4.2).
При составлении расчетной схемы, в соответствии с рекомендациями, изложенными в работах [35, 62, 82, 86, 105, 122], учтены шпиндельные узлы с опорами, корпусные детали несущей системы, подвижные и неподвижные стыки 126 и др. Шпиндельные узлы были представлены в виде упругих стержней (консольные и межопорные части шпинделя), пружин (опоры шпинделя, обладающие упругими и диссипативными свойствами) и сосредоточенных масс (шлифовальные круги в сборе с планшайбами) [6, 65, 78, 120].
Динамические модели шпиндельных узлов, представленные в таком виде, можно считать эквивалентными, т. е. близкими по своим характеристикам (жесткости и низшим собственным частотам) к реальным шпиндельным узлам.
Представленные таким образом шпиндельные узлы были рассчитаны с помощью программы SPINCH [119]. Для уменьшения количества точек на расчетной схеме УС станка, число которых ограничено, путем подбора геометрических и жесткостных характеристик переходим к упрощенной эквивалентной модели шпиндельного узла. В результате подбора параметров деформации передних концов шпинделей (узловые точки 1 и 15) практически совпали с деформациями реального шпиндельного узла в узловой точке 9 на расчетной схеме (рисунок 4.3).
Переход от подробной расчетной схемы шпиндельного узла к упрощенной эквивалентной Корпусные детали несущей системы (станина, стол, колонка, бабка изделия, шлифовальные каретки, гильзы) моделировались двумя способами [7, 35, 55, 109, 150]: - в виде абсолютно жестких тел, перемещающихся при колебаниях лишь за счет упругих деформаций стыков (собственными упругими деформациями жестких тел по сравнению с деформациями стыков можно пренебречь из-за их малости).
При этом инерционные параметры корпусных деталей, такие как массы и моменты инерции, сосредоточены в центрах масс соответствующих тел; - в виде упругих стержней (одного или нескольких) в том случае, если один из габаритных размеров корпусной детали значительно больше двух других и нельзя пренебречь распределенностью масс для корпусной детали.