Введение к работе
з
Актуальность проблемы. Развитие науки и техники определяет конструктивное совершенствование машин и приборов и требует обеспечения их надежности. В машиностроении надежность изделий тесно связана с точностью деталей, эксплуатационные свойства которых формируются, главным образом, на финишном этапе обработки и складываются из многих составляющих.
Обеспечение точности размеров деталей часто находится в противоречии с их геометрической формой, погрешность которой может достигать до 40% от суммарной погрешности обработки. Эта проблема является особенно актуальной при изготовлении высокоточных деталей типа тел вращения. Так, уменьшение овальности и конусообразности шеек коленчатого вала с 10 до 6 мкм в допуске на размер позволяет увеличить время работы вкладышей подшипников от 2,5 до 4 раз. Несмотря на существенные достижения в области динамики круглошлифовальных станков, проблема обеспечения их точности при эксплуатации остается еще не до конца решенной. Процесс шлифования является наиболее сложным и наименее изученным, отличается нестабильностью и чувствительностью к возмущениям. Практика показывает, что макрогеометрия поверхностей вращения во многом определяется точностью станка. При этом существенное влияние на обработку оказывают силовые и тепловые деформации узлов станка и детали, износ и затупление круга, неточность установки детали в центрах, колебания припуска на обработку и т.д. Вследствие влияния любого из технологических факторов ось вращения детали, установленной в центрах станка, может менять свою траекторию, что приводит к ее погрешности формы.
Обеспечение требуемой точности обработки предопределяет необходимость эффективного управления процессом формообразования. До настоящего времени учет одновременно влияющих на точность обработки факторов не проводился, также отсутствуют методики математического описания процесса, позволяющие учитывать их совокупное проявление. Это обуславливает разработку моделей, способов и устройств диагностики и управления точностью круглошлифовальных станков. Оперативный ввод коррекций величины зазоров в подвижных узлах станка и управление пинолью с подвижным центром обеспечат стабилизацию
4 положения оси заготовки в пространстве при изменении режимов резания и
требуемую точность обработки деталей. Таким образом, исследования и
разработки, направленные на обеспечение точности обработки на
круглошлифовальных станках являются актуальными.
Объектом исследования является процесс формообразования поверхностей деталей при обработке. Предмет исследования: способы и устройства управления точностью круглошлифовальных станков.
Цель работы: управление процессом формообразования на круглошлифовальных станках для обеспечения требуемой точности обработки.
Достижение поставленной цели потребовало постановки и решения следующих задач:
1. Определить закономерности процесса формообразования при изменении
геометрической точности круглошлифовального станка и действии
технологических факторов.
2. Установить влияние точности позиционирования центров и разновидностей
их контактных связей с центровым отверстием на характер смещения оси вращения
детали и образование погрешности формы.
-
Выполнить экспериментальные исследования по определению точности расположения технологических баз методом ультразвукового контроля и предложить методику прогнозирования точности обработки по площади их опорной поверхности.
-
Разработать математические модели процесса круглого шлифования для выявления связей между режимами обработки, кинематикой движения привода вращения детали, колебательными явлениями и упругими деформациями в технологической системе с закономерностями точности формообразования.
-
Разработать способы и устройства, позволяющие стабилизировать величину зазоров в подвижных узлах станка в процессе шлифования.
6. Создать технические устройства контроля точности позиционирования
центров станка и новые технологические решения по управлению точностью
формообразования.
5 7. Предложить методологию управления процессом формообразования при
обработке на круглошлифовальном станке, обеспечивающую постоянство
относительного положения оси вращения заготовки в пространстве.
Методы исследования.
Экспериментальные исследования проводились на универсальных круглошлифовальных станках в производственных условиях и в лабораториях ОмГТУ на производственном оборудовании и установках с использованием средств метрологического оснащения. Обработка экспериментальных данных осуществлялась с использованием методов аппроксимации и математической статистики. Теоретические исследования базировались на основных положениях технологии машиностроения, теории резания и динамики станков, теории колебаний, теории упругости, теории формообразования и контактного взаимодействия поверхностей, размерного анализа и методов математического анализа. Использованы методы аналитической геометрии, математического моделирования и компьютерного 3D моделирования.
Научная новизна:
-
Разработаны теоретические положения и научно обоснована методология управления точностью формообразования на круглошлифовальных станках на основе диагностики технологической системы и построения математических моделей процесса обработки.
-
Экспериментально установлены закономерности контактных связей базовых поверхностей «центр - центровое отверстие» и определено их влияние на характер смещения оси детали и образование погрешности формы.
-
С использованием ультразвукового метода исследован процесс акустических колебаний при изменении площади опорной поверхности технологических баз и получены экспериментальные зависимости и теоретические закономерности, позволяющие производить контроль точности круглошлифовальных станков.
-
Предложена концепция прогнозирования точности обработки, основанная на определении радиального и осевого смещения оси детали в центрах при действии технологических факторов и изменении точности станка.
6. Разработаны математические модели, позволяющие на основании учета
связей кинематики движения детали, упругих деформаций и амплитудно-частотных характеристик технологической системы определять точность формы деталей. Результаты моделирования легли в основу разработок новых технических устройств обеспечения точности шлифования.
7. Разработан способ и механизм силовой стабилизации положения оси
шпинделя шлифовального круга и пиноли с центром, реализация которого
позволила снизить погрешность формы деталей на 32-43%.
8. Разработана система адаптивного управления формообразованием,
сочетающая диагностику точности станка с комплексом корректирующих
воздействий для обеспечения постоянства относительного положения центров и
шпинделя шлифовального круга. Управляющая система компенсирует
геометрические погрешности станка и исключает прецессию оси детали при
обработке.
Личный вклад автора состоит: в постановке задач исследований; выполнении комплекса экспериментов с последующим анализом полученных данных; в разработке математических моделей; в создании методики расчета смещения оси детали в центрах; в разработке способов и устройств диагностики соосности центров и соосности центровых гнезд (патенты №№2009146790/22, 2010138258/28), в разработке системы управления точностью формообразования при обработки на круглошлифовальном станке.
Все результаты исследований, представленные в диссертации, получены лично соискателем или при непосредственном его участии.
Автор защищает следующие основные положения:
решение научной проблемы обеспечения точности обработки на основе направленного формообразования поверхностей деталей и диагностики технологической системы;
разработанный комплекс математических моделей, устанавливающих связь между точностью формообразования обработанных поверхностей и динамическими явлениями процесса шлифования с учетом кинематики движения детали;
7 установленные экспериментальные и расчетные зависимости
формообразования поверхностей при радиальном и осевом смещении оси детали,
закономерности ультразвуковых колебаний при изменении площади опорной
поверхности центра и центрового отверстия, позволяющие управлять точностью
технологической системы;
методологию прогнозирования точности формообразования и принцип управления технологической системой с целью стабилизации положения оси вращения детали, основанные на определении контактных связей конусных поверхностей центра и центрового отверстия, неразрушающем контроле площади их опорной поверхности и анализе причин смещения;
новые технические и технологические решения, защищенные патентами, способы и устройства, обеспечивающие точность формообразования поверхностей деталей при обработке.
Практическая ценность работы заключается в следующих результатах:
получены расчетные зависимости погрешностей формы продольного и поперечного сечений деталей при влиянии термодинамических факторов с учетом изменения точности круглошлифовального станка;
разработаны инженерные методики расчета погрешности формы при радиальном и осевом смещении оси вращения детали, позволяющие прогнозировать точность обработки;
созданы устройства диагностики точности взаимного расположения центров и осей гнезд под центры в передней и задней бабке круглошлифовального станка;
разработаны способы и устройства повышения точности обработки деталей за счет стабилизации величины зазоров в шпиндельном узле шлифовального круга и корпусе задней бабки;
- разработан ультразвуковой метод точности позиционирования конусных
поверхностей центра и центрового отверстия по изменению площади их опорной
поверхности, позволяющий диагностировать геометрическую точность
круглошлифовальных станков;
- созданы математические модели и алгоритмы, обеспечивающие направленное
формообразование наружных поверхностей деталей с учетом термодинамических условий механической обработки;
- на основе исследований закономерностей образования прецессии оси детали
разработана система управления процессом формообразования на
круглошлифовальных станках.
Результаты выполненных исследований нашли применение на ОАО «Высокие технологии» и ООО «Омскгидропривод» (г. Омск). По разработанным моделям, методикам расчета и устройствам даются рекомендации по обеспечению рациональных режимов обработки, производится диагностики станков и управление точностью обработки.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении» - Москва (2012); «Динамика систем, механизмов и машин» - Омск (2004, 2009, 2012); «Современные проблемы машиностроения» - Томск (2013); Международных научно- практических конференциях «Современная техника и технологии» - Томск (2010); «Анализ и синтез механических систем» - Омск (2004); «Инновационные технологии в машино-и приборостроении - Омск (2010); Всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий» - Уфа (2012); Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» - Москва (2012); Региональной научно- технической конференции «Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетоносителей и авиационной техники» - Омск (2006); Всероссийской научно-практической конференции «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность» - Омск (2013); на заседаниях кафедр "Технологии автоматизированного машиностроительного производства" ТПУ (Томск), "Металлорежущие станки и инструменты", "Технология машиностроения" ОмГТУ (Омск).
9 Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 41 печатных
работах, в том числе 1-й монографии, 3 учебных пособиях, 2 патентах на
изобретения. Материалы диссертации вошли в 3 отчета по НИР.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 340 страниц машинописного текста, включая введение, 7 глав, заключение, список литературы из 243 наименований и приложение. Работа содержит 144 рисунка и 11 таблиц.
