Содержание к диссертации
Введение
1. Формирование геометрических параметров поверхности деталей. Состояние проблемы 13
1.1. Влияние геометрических параметров поверхности на эксплуатационные свойства деталей машин 13
1.2 Нестабильность параметров технологических систем и ее влияние на геометрию поверхности детали 26
1.3. Взаимосвязь геометрических параметров качества поверхности детали с технологическими параметрами операции 40
1.4. Имитационное стохастическое моделирование технологических систем и области использования моделей 56
1.5. Выводы. Цель и задачи исследований 62
2. Методологические основы прогнозирования геометрических параметров качества поверхности 64
2.1. Взаимосвязь топографии поверхности и геометрических параметров качества детали 64
2.2. Анализ вероятности брака по геометрическим параметрам качества поверхности 73
2.3. Размерный анализ технологического процесса изготовления деталей 81
2.4. Стохастическая оптимизация при подготовке основы под нанесение покрытия 85
2.5. Общие принципы конструирования имитационных моделей процессов механической обработки 94
2.6. Обобщенная математическая модель для прогнозирования геометрических параметров поверхности детали 111
2.7. Автоматизированная система научных исследований процессов формирования геометрических параметров деталей 123
2.8. Выводы 129
3. Моделирование формирования топографии поверхности при токарной обработке деталей 131
3.1. Анализ факторов, влияющих на топографию обработанной поверхности 131
3.2. Формирование профиля поверхности за счет геометрического копирования 140
3.3. Стохастическое моделирование при геометрическом копировании 151
3.4. Случайная составляющая профиля 156
3.5. Моделирование колебательных процессов при точении 165
3.6. Определение параметров технологической системы при расчете автоколебаний 184
3.7. Расчет топографии обработанной поверхности и геометрических параметров поверхностного слоя детали 200
3.8. Проверка адекватности стохастической модели 205
3.9. Аналитическое описание распределения параметров шероховатости при точении 208
3.9.1. Систематическая и случайная составляющие параметра шероховатости Ra 208
3.9.2. Анализ распределения относительной опорной длины профиля tp 219
3.10 Выводы 227
4. Моделирование формирования топографии поверхности на операции фрезерования 228
4.1. Анализ факторов, влияющих на топографию поверхности 228
4.2. Формирование топографии поверхности за счет геометрического копирования 232
4.3. Топографические параметры шероховатости 244
4.4. Описание программного обеспечения для расчета топографии и геометрических параметров поверхности 247
4.5. Имитационный алгоритм расчета огибающей и формирования траектории при контурном фрезеровании 252
4.6. Выводы 263
5. Моделирование формирования профиля поверхности при абразивной обработке 264
5.1. Основные особенности абразивной обработки 264
5.2. Имитационная стохастическая модель круглого наружного врезного шлифования 268
5.3. Определение исходных данных для моделирования 274
5.4. Имитационная модель наружного шлифования с продольной подачей 291
5.5. Экспериментальная проверка адекватности моделей 302
5.6. Упрощенная имитационная модель внутреннего шлифования 311
5.7. Распределения параметров шероховатости поверхности при абразивной обработке 325
5.7.1. Анализ систематической составляющей параметров шероховатости 325
5.7.2. Анализ распределений параметров шероховатости при шлифовании 331
5.8. Выводы 342
6. Расширение базы моделей с помощью идентификации технологических систем 344
6.1. Идентификация упругой системы 344
6.2. Идентификация технологической системы 348
6.3. Алгоритм идентификации технологической системы 359
6.4. Практические приложения методики идентификации операции 366
6.5. Выводы 370
7. Применение разработанных моделей операций механической обработки 371
7.1. Области использования моделей 371
Проектирование и оптимизация операций механической обработки 375
Внедрение результатов исследования 380
1 Общие положения 380
2 Управление геометрическими показателями точности детали 382
3 Управление колебательными явлениями при нежестких схемах механической обработки 384
4. Устранение автоколебаний при точении 387
5. Стохастическая оптимизация операций подготовки основы 392
6. Размерный анализ изготовления деталей с покрытиями 403
Выводы 407
Основные выводы и результаты работы 409
Литература 411
Приложения 437
- Нестабильность параметров технологических систем и ее влияние на геометрию поверхности детали
- Моделирование колебательных процессов при точении
- Имитационная модель наружного шлифования с продольной подачей
- Устранение автоколебаний при точении
Введение к работе
Актуальность проблемы
Современное машиностроение характеризуется повышением требований к геометрическим параметрам качества изготовления поверхностей деталей – точности получаемых размеров, отклонений формы, взаимного расположения поверхностей, их волнистости и шероховатости. Именно эти параметры определяют контактные деформации и жесткость стыков, характеризуют трение и износ поверхностей, герметичность соединений, прочность сцепления с покрытием и т.п. При этом необходимо обеспечить не только заданные требования качества поверхности, но и их стабильность, которая определяется стохастическими характеристиками параметров геометрии поверхности детали, задаваемыми законом их распределения.
Несмотря на кардинальное отличие лезвийных и абразивных методов обработки, при формировании ими геометрических параметров поверхности детали имеется много общего, что позволяет использовать для них единый подход, основанный на имитационном стохастическом моделировании. Геометрия поверхности детали определяется ее профилем и топографией – набором взаимосвязанных профилей. Математическое описание формирования топографии поверхности при механической обработке затрудняется колебаниями большого количества параметров операции.
Ситуация еще более осложняется тем, что случайные отклонения могут иметь динамический характер. При этом эмпирические рекомендации позволяют разрешить только отдельные из возникающих проблем, для которых эти эмпирические данные существуют. Имея модели для расчета топографии и геометрических параметров качества поверхности, можно построить алгоритмы проектирования и оптимизации технологических операций с учетом стохастических параметров инструмента и процесса резания, прогнозировать вероятность брака по параметрам шероховатости и т.п. Особое значение топография поверхности имеет при подготовке основы под нанесение покрытия. При этом с одной стороны развитый микрорельеф основы обеспечивает прочность сцепления с покрытием, а с другой – именно в слое шероховатости основы остается материал покрытия, не участвующий в работе детали. Это позволяет ставить и решать оптимизационную задачу проектирования технологии подготовки основы под напыление.
Таким образом, исследования, направленные на решение проблемы технологического обеспечения геометрических параметров качества деталей путем создания имитационных стохастических моделей формирования профиля и топографии поверхности при лезвийной и абразивной обработке, являются актуальными.
Цель работы
Технологическое обеспечение геометрических параметров качества поверхностей деталей при механической обработке на основе комплекса имитационных стохастических моделей.
Методы и средства исследования
Теоретические исследования проводились на базе научных основ технологии машиностроения, теории резания, системного анализа, теории автоматического управления, математического моделирования и методов математической статистики. В исследованиях применен аппарат теории оптимизации и теории вероятности. Достоверность результатов расчетов проверялась экспериментально в производственных и лабораторных условиях на базе автоматизированной системы технологической диагностики.
Научная новизна:
-
Разработана методология прогнозирования геометрических параметров качества деталей после лезвийной и абразивной обработки на основе имитационного стохастического моделирования, позволяющая получать как систематические, так и случайные составляющие этих параметров.
-
Созданы алгоритмические имитационные стохастические модели, позволяющие прогнозировать топографию и профиль обработанных поверхностей с учетом характеристик инструмента, обрабатываемого материала и динамики процесса резания с выделением систематических и случайных составляющих параметров шероховатости.
-
Получены аналитические выражения для описания плотностей распределения случайных составляющих параметров шероховатости поверхностей при лезвийной и абразивной обработке.
-
Установлена взаимосвязь между выходными геометрическими параметрами качества детали и автоколебаниями при механической обработке на основе анализа нелинейной зависимости силы от скорости и глубины резания и геометрических параметров инструмента.
-
Созданы имитационные адаптивно-программные алгоритмы управления процессами контурной механической обработки, обеспечивающие стабилизацию геометрических параметров качества.
-
Предложен способ идентификации технологической системы, позволяющий на основе явления технологического наследования расширять и уточнять комплекс математических моделей операций механической обработки для прогнозирования геометрических параметров поверхности детали (патент на изобретение №2255318).
-
Разработана критерии и методика оптимизации площади контакта покрытия с основой и объема остаточного слоя покрытия с ограничениями по недопущению брака при подготовке поверхностей для нанесения покрытий с учетом стохастических характеристик геометрических параметров поверхностного слоя.
Практическая ценность:
-
Создан комплекс имитационных стохастических математических моделей операций механической обработки, реализованный в виде программного обеспечения (свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ №2005611994, №2006612387, №2007613355). Результатом моделирования является топография обработанной поверхности, по которой рассчитывается коэффициенты аналитических выражений плотности распределения параметров шероховатости с выделением систематической и случайной составляющих.
-
Разработано программное обеспечение, позволяющее анализировать зоны устойчивой работы инструмента (свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ №2005611994) и управлять автоколебаниями при токарной обработке путем выбора геометрии инструмента и параметров режима резания.
-
Создана автоматизированная система научных исследований, позволяющая производить экспресс-анализ операций механической обработки на устойчивость обеспечения заданных геометрических параметров поверхности детали. В составе системы используется методика идентификации технологической системы (патент на изобретение № 2255318) в рамках которой используются оригинальные установки для исследования процесса стружкообразования при шлифовании (АС №992174), прочности закрепления зерен в связке круга, колебаний при механической обработке (АС №918796), контроля адгезии покрытия с основой (патент №76460) и др.
-
Разработана методическое, программное (свидетельства об официальной регистрации программ № 2005611993, № 2008615403) и информационное обеспечение для проведения анализа технологических процессов с учетом стохастического характера формирования размерных связей.
-
Предложены рекомендации по проектированию технологических процессов подготовки основы для деталей с покрытиями с использованием методов многокритериальной оптимизации.
Реализация результатов работы
Теоретические и экспериментальные исследования проводились в рамках реализации федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы" – ГК № 02.513.11.3365, тема: "Проведение проблемно-ориентированных исследований и разработка научно-технологических основ производства деталей машиностроения с покрытиями из наноструктурированных композиционных материалов, полученных методами высокотемпературного синтеза при ударно-волновом газотермическом нагреве" и аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)", проект №2.2.1.1/4799.
6 Результаты исследований нашли практическое применение и внедрены в следующих предприятиях и организациях: ПО "Ижорский завод" им. А.А.Жданова, лаборатории САПР Московского станкоинструментального института, Барнаульском заводе транспортного машиностроения, ПО "Ростсельмаш" им. Ю.В.Андропова, ЗАО "Барнаульский котельный завод", ООО "Центр развития технологий - Алтай", ООО "Барнаулэлектромонтаж", ОАО "Промстройметаллоконструкция", в учебном процессе АлтГТУ им. И.И.Ползунова. Экономический эффект от внедрения составляет 469434 руб. (1981-1985 г.г.) и 722603 руб. (2004-2009 г.г.).
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на республиканских и международных конференциях, в том числе: "Управление качеством в механосборочном производстве" (Пермь, 1979), "Современный абразивный инструмент и методы повышения эффективности процесса шлифования" (Челябинск, 1980), "Прогрессивные методы повышения качества, долговечности и надежности деталей машин" (Волжский, 1981), "Технологическое управление триботехническими характеристиками узлов машин" (Москва-Севастополь, 1983), "Повышение качества и производительности обработки деталей машин" (Горький, 1984), "Повышение эффективности обработки конструкционных материалов" (Улан-Удэ, 1985), "Автоматизация механо-сборочных процессов в машино- и приборостроении" (Москва, 1989), "Повышение эффективности производства машиностроительных предприятий" (Душанбе, 1999), "Ресурсосберегающие технологии в машиностроении" (Бийск, 2003), "Новые материалы и технологии в машиностроении" (Рубцовск, 2004), "Современные технологические системы в машиностроении" (Барнаул, 2006), "Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе" (Новосибирск, 2005, 2008) и др.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 113 печатных работ, в том числе 2 монографии, получено 5 авторских свидетельств и патентов на изобретения, 14 свидетельств об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы
Нестабильность параметров технологических систем и ее влияние на геометрию поверхности детали
В соответствии с классификацией В.А.Кудинова [106], отклонения параметров динамической системы можно подразделить на (рис. 1.2):
— статические,
— переходные динамические,
— стационарные динамические,
— случайные.
Статические отклонения являются неизменными во времени. Эти виды отклонений наиболее хорошо исследованы. К ним относятся: постоянная составляющая упругих отжатий в технологической системе, средняя скорость износа инструмента, радиальный съем металла в единицу времени и т.п. Даже при отсутствии готовых моделей для прогнозирования статических отклонений, их несложно учесть эмпирическими зависимостями: обычно это либо какая-либо константа (например, статическая жесткость, скорость износа), либо линейная зависимость (например, износ инструмента во время обработки).
Значительно реже встречаются нелинейные статические отклонения, но и их значения обычно несложно прогнозировать. Так, например, на рис. 1.3 приведен относительный статический прогиб детали, закрепленной в центрах, под действием силы резания. Зависимость носит явно нелинейный характер, а из литературы известно [21], что она имеет вид
Переходные динамические отклонения также достаточно хорошо исследованы. К ним относятся [106, 262] колебания внутренних параметров технологической системы (обычно рассматривают колебания детали и инструмента) при врезании или изменении режима резания. Прогнозирование этих отклонений производится путем решения дифференциальных уравнений, описывающих исследуемую систему. Например, при врезании резца возникает переходной процесс (рис 1.4), который приближенно можно описать дифференциальным уравнением:
Очевидно, что решение уравнения (1.2) имеет только одну гармоническую составляющую, а на рис. 1.4 явно видно несколько гармоник. Связано это с тем, что математическая модель только приближенно описывает реальный переходной процесс. Погрешности связаны с тем, что кроме колебаний инструмента происходят также и колебания детали, элементов приспособления и т.д. Эти колебания можно описать уравнениями, аналогичными (1.2). Все элементы технологической системы колеблются с различными частотами и в результате получается решение с полигармоническими составляющими. Более того, наличие нелинейных элементов в технологической системе (например, стыков между различными деталями) может привести к непостоянству коэффициентов уравнения (1.2) или даже к изменению его вида. Но в любом случае получение математического описания в виде дифференциального уравнения и решение этого уравнения не представляет значительных сложностей.
В любом случае переходные динамические колебания затухают во времени. Однако в момент их возникновения они могут значительно повлиять на качество обработанной поверхности.
В то же время существуют процессы механической обработки, в которых переходные явления играют большую роль. В первую очередь это различные виды фрезерования. В отличие от точения, при котором переходные явления действуют только при врезании и быстро затухают, процесс фрезерования сопровождается периодическими переходными явлениями, вызываемыми врезанием и выходом отдельных зубьев фрезы. Отрицательное влияние этого процесса устраняют повышением жесткости технологической системы. При этом частота колебаний растет, а их амплитуда снижается. Кроме того, одновременное резание несколькими зубьями также обычно снижает влияние переходных явлений. Однако регенеративные явления, вызываемые влиянием одного зуба на другой, могут привести и к неустойчивости системы.
К стационарным динамическим отклонениям обычно относят вынужденные колебания в технологической системе. В этом случае математической моделью является также система дифференциальных уравнений типа (1.2), но в правой части уравнений находится переменная сила F — источник вынужденных колебаний. Независимо от вида обработки, причиной колебаний могут являться отклонения формы заготовки и внешние колебания элементов (например, от приводов). В качестве вынуждающих могут являться колебания, возникающие при перемещении узлов по направляющим станка. Этот вопрос достаточно подробно исследован В.А.Кудиновым [106]. В любом случае для прогнозирования этих колебаний необходимо определить и правильно описать источник колебаний.
Значительно хуже обстоит дело с другим типом стационарных динамических колебаний - автоколебаниями при резании. Причин их возникновения достаточно много - это и регенеративный эффект от резания по следу обработки, и нелинейность зависимости силы резания от параметров режима, и непостоянство (нелинейность) параметров технологической системы и т.п. Вопросами исследования автоколебаний при резании металлов занималось достаточно много авторов [65, 85, 99, 106, 230]. Однако многие вопросы их описания пока не решены и требуют уточнения. Связано это с тем, что с одной стороны автоколебания приводят к значительной нестабильности показателей качества детали (особенно шероховатости). С другой стороны автоколебания могут снижать затраты энергии на стружкообразование, как при вибрационном резании. Недостаточно исследована также связь автоколебаний и вынужденных колебаний в технологической системе, их взаимного влияния и влияния на качество обработки поверхности [286].
Случайные отклонения в плане определения и прогнозирования причин их образования исследованы значительно хуже, чем все остальные. По ГОСТ 15895-77 критерием стабильности является среднее квадратичное отклонение [26].
При проектировании детали конструктор задает параметры ее точности и шероховатости поверхностей. Задача обеспечения этих параметров в процессе производства возлагается на технолога. Однако он не всегда может выполнить эти требования в течение длительного периода изготовления деталей. С течением времени за счет изменения различных параметров операции параметры обработанной поверхности также изменяются. По мнению ряда авторов [137, 229, 302, 308] в этом процессе присутствует как детерминированная, так и случайная составляющие. Например, износ инструмента с течением времени увеличивается, что вызывает повышение шероховатости обрабатываемой поверхности [281, 295]. Причинами повышения шероховатости является с одной стороны изменение геометрии, а с другой - рост колебаний в технологической системе. Величина и характер износа инструмента зависят от физико-механических свойств обрабатываемого и инструментального материала, которые меняются от детали к детале и от инструмента к инструменту случайным образом. Поэтому и геометрические параметры поверхностного слоя детали имеют стохастическую составляющую. Вибрации и автоколебания в технологической системе также приводят к нестабильности качества получаемой поверхности детали [294,312].
По мнению А.М.Дальского [233], суммарная погрешность обработки состоит из упругих деформаций технологической системы, износа режущего инструмента, погрешности настройки, погрешности металлорежущего оборудования, тепловых деформаций элементов технологической системы. Суммирование элементарных погрешностей производится с учетом их векторного характера. Более того, для них не справедлив принцип суперпозиции, т.к. существует взаимное влияние элементарных погрешностей.
По мнению В.К.Старкова [229], нестационарность процесса механической обработки заключается в изменении не только средних значений параметров и показателей качества, но и их дисперсии. При этом большую роль в изменении параметров качества детали он отводит свойствам инструмента. На рис. 1.5 приведен пример распределения микротвердости инструментальной стали Р6М5 до и после шлифования, а на рис. 1.6 распределения предельной прочности при изгибе твердых сплавов. Анализ приведенных кривых показывает, что значения этих параметров носят явно случайный характер и близки к нормальным распределениям. Параметры распределения зависят от марки инструментального материала и технологии его обработки. Аналогичные выводы можно сделать и по упругим отжатиям в технологической системе, тепловыделении при резании и т.п.
Моделирование колебательных процессов при точении
Процесс резания - сложный физический процесс, сопровождающийся тепловыделением, деформацией металла, изнашиванием режущего инструмента, наростообразованием и вибрациями различного рода [126]. Колебания по нормали к обрабатываемой поверхности приводят к мгновенному изменению глубины резания, а в касательном направлении - к изменению углов резания.
Возникающие в процессе резания металла нагрузки воспринимаются инструментом и приспособлением для его крепления, а также деталью и приспособлением для ее установки и крепления. Эти нагрузки передаются через приспособления на узлы и механизмы станка, следовательно, образуется замкнутая технологическая система.
В процессе обработки сила резания не остается постоянной из-за изменения сечений срезаемой стружки, припуска на обработку, неравномерности механических свойств материала и распределения силы резания. Под действием изменяющихся сил резания элементы технологической системы деформируются, изменяя тем самым условия резания, трения и работы привода станка. Характер изменения условий обработки зависит от жесткости указанной системы, т.е. способности препятствовать перемещению ее элементов при воздействии на них нагрузок. Жесткость является одним из основных критериев работоспособности станка и его точности работы под нагрузкой.
При резании в технологической системе возникают вибрации — периодические колебательные движения. Вибрации, в основном, оказывают негативное воздействие на процесс резания: снижается стойкость инструмента и долговечность оборудования, ухудшается качество обрабатываемой поверхности. С другой стороны вибрации успешно применяют и для обработки: ультразвуковая обработка, вибрационное резание.
Причину нежелательных вибраций необходимо искать в неустойчивости самого процесса механической обработки. Так при работе на металлорежущих станках повышенной жесткости, в том числе прецизионных, могут возникать вибрации двух типов: вынужденные колебания, вызываемые периодически действующими внешними силами, и автоколебания, которые не зависят от действия внешних сил.
Источниками возмущающих сил вынужденных колебаний являются периодически действующие внешние силы, т.е. параметры технологической системы. В основном это:
- неуравновешенность вращающихся частей технологической системы (валы, зубчатые колеса, шкивы, инструмент, заготовка) - причиной появления колебаний в данном случае является изменение направления действия центробежной силы;
- наличие дефектов в передачах оборудования (ошибки в монтаже зубчатых колес, погрешности формы зубьев, пульсация рабочей жидкости в гидросистеме) - это приводит к колебаниям шпинделя и других частей станка;
- прерывистый характер процесса резания (неравномерный припуск на обработку, неоднородности механических свойств обрабатываемого материала, изменение геометрии инструмента в статической системе координат) - колебания в этом случае возникают в результате периодического изменения силы резания;
- колебания близко расположенного оборудования.
Эти колебания наиболее опасны, когда частота возмущающей силы близка к частоте собственных колебаний системы или отдельных ее частей. Устранение возмущающих сил, а следовательно и вынужденных колебаний достигается балансировкой вращающихся частей, виброизоляцией станков, применением виброопор и демпферов. Наряду с постоянным совершенствованием методов борьбы с вынужденными колебаниями развиваются методы использования вибраций как средство улучшения некоторых характеристик процесса резания для повышения формы образующейся стружки, снижения энергии на снятие стружки и т.п.
Все эти причины вынужденных колебаний достаточно хорошо исследованы и их источники и способы математического описания проанализированы в главе 1.
К автоколебаниям относятся такие вибрации, у которых переменная сила, поддерживающая колебательный процесс, создается и управляется самими колебаниями, т.е. появление автоколебаний не связано с какой-либо внешней периодической возмущающей силой, они являются самовозбуждающимися колебаниями. Даже для хорошо отрегулированных станков, обладающих высокой жесткостью, при определенных условиях работы в процессе резания могут возникать и поддерживаться неопределенно долго автоколебания, которые ограничивают допустимые режимы резания, снижают качество изделий, а порой приводят к выкрашиванию режущих кромок инструмента.
Основными причинами автоколебаний являются регенеративный эффект при резании по следу обработки, координатная связь, вызываемая взаимным влиянием колебаний по различным координатам, нелинейность зависимости силы резания от параметров режима, непостоянство (нелинейность) параметров технологической системы. В главе 1 дан обзор работ по автоколебаниям и отмечено, что комплексный подход к их изучению и прогнозированию в настоящее время отсутствует. Рассмотрим перечисленные причины в плане математического описания автоколебаний.
Регенеративный эффект учитывается введением в математическое описание технологической системы звена запаздывания. При этом получают передаточные функции исследуемой системы, например, (1.17) или (1.18) и исследуют их устойчивость. Физический смысл математического описания заключается в том, что волна на детали, получаемая на предыдущем обороте или проходе, влияет на колебания на текущем обороте (проходе). При совпадении фаз колебаний система может стать неустойчивой. При отрезании на токарном станке это явление практически возникает достаточно часто. Также высока вероятность появления регенеративного эффекта при фрезеровании, когда зуб фрезы работает по следу предыдущего зуба [210]. При обычном наружном точении однолезвийным инструментом регенеративный эффект оказывается достаточно мал. Связано это с тем, что для возбуждения колебаний в системе с запаздыванием необходимо совпадение фаз колебаний на предыдущем и последующем проходах. Вероятность этого не слишком высока. Кроме того, для развития колебаний достаточной амплитуды необходимо выполнение нескольких проходов (и все с совпадением фаз колебаний!), что на практике встречается достаточно редко. Кроме того, потери энергии (демпфирование) также значительно снижает риск регенеративных колебаний.
Фактически модель возбуждения регенеративных колебаний в рамках линейного описания и одномассовои системы можно рассматривать как колебательное звено с обратной связью в виде звена запаздывания - рис. 3.22. При этом переменная глубина резания (например, по причине дисбаланса или погрешностей базирования) формирует переменную силу резания Ру, а сила деформирует упругую систему, вызывая упругие отжатия.
В связи с тем, что упругая система моделируется колебательным звеном, при совпадении фаз колебаний на его входе и выходе может развиваться положительная обратная связь, приводящая к неустойчивости системы.
Обычно для упрощения пытаются математическое описание оставить в классе линейных систем и описывают силу резания линейной зависимостью Ру = Су іф. Тогда передаточная функция звена, находящегося в прямой связи будет иметь вид
Имитационная модель наружного шлифования с продольной подачей
Шлифование с продольной подачей по кинематике отличается от врезного шлифования. Эти отличия связаны с тем, что на каждом проходе за счет ступенчатой поперечной подачи создается определенная глубина резания и обработка производится с этой глубиной. При этом и съем металла, и фактическая глубина резания, и износ шлифовального круга будут неравномерны для разных сечений, соответственно, инструмента и заготовки. Поэтому зависимости, приведенные в предыдущих параграфах для имитационной стохастической модели врезного шлифования не применимы в полной мере для шлифования с продольной подачей, однако принципы построения модели и основные зависимости остаются неизменными. Рассмотрим наиболее сложный в плане моделирования процесс бесцентрового шлифования.
На рисунке 5.14 показана схема наружного бесцентрового шлифования. Деталь расположена между шлифовальным и ведущим кругами и опирается на поддерживающий нож (опорный элемент). Бесцентровое шлифование отличается от шлифования в центрах тем, что деталь в процессе обработки не закрепляется, а базируется по обрабатываемой поверхности [4, 147].
Опорой для шлифуемой заготовки является нож со скошенным краем, находящийся между рабочим и ведущим кругами. Нож устанавливается так, чтобы центр заготовки находился выше (+h) или ниже (-h) линии центров кругов. Шлифовальный круг вращается со скоростью 30-35 м/с, ведущий круг со скоростью в 60-100 раз меньшей. Ведущий круг может быть абразивным на вулканитовой связке, стальным, чугунным или алюминиевыми.
Поскольку сила трения между шлифовальным кругом и деталью меньше, чем между деталью, ножом и ведущим кругом, деталь будет вращаться со скоростью вращения ведущего круга, а абразивные зерна шлифовального круга будут совершать резание со скоростью, равной разности между скоростью вращения шлифовального круга VKp и детали Уд. Разность скоростей рабочего крута и обрабатываемой заготовки обеспечивает процесс шлифования.
Шлифование на бесцентрово-шлифовальных станках можно производить тремя методами (рисунок 5.15):
- продольной подачи — сквозное шлифование (рисунок 5.15, а);
- поперечной подачи - врезное шлифование (рисунок 5.15, б);
- шлифование до упора (рисунок 5.15, в).
Бесцентровое шлифование методом продольной подачи (на проход) (рисунок 5.15, а) осуществляется следующим образом. Круги 1 -шлифовальный и 2 - ведущий с определенным профилем все время находятся на одинаковом расстоянии друг от друга. Проходя между ними, по ножу, деталь 3 шлифуется на величину, равную припуску на диаметр. Поперечная подача каждого из кругов осуществляется только для компенсации его износа. Продольная подача Slipoa детали осуществляется за счет поворота ведущего круга на определенный угол as. Схема распределения скоростей при бесцентровом шлифовании представлена на рисунке 5.16.
При шлифовании методом поперечной подачи (врезанием) (рис. 5.15, б) деталь опирается на нож и вращается ведущим кругом. Для осуществления съема металла ведущий круг подается в поперечном направлении (Snon) на величину припуска 2t После окончания шлифования ведущий круг отводится и происходит смена детали.
Бесцентровое шлифование до упора занимает промежуточное положение между сквозным и врезным шлифованием, т. е. деталь в первый момент шлифуется как при сквозном шлифовании (рисунок 5.15, в), а при встрече ее торца с упором 4 ведущий круг отходит назад (по стрелке К) и деталь освобождается.
Положение ведущего крута по отношению к рабочему кругу можно изменять, устанавливая ведущий круг под разным углами a (0 - 6). Это дает возможность ведущему кругу при сквозном шлифовании (угол поворота ведущего круга при предварительном шлифовании 2,5 - 6, при окончательном 1 - 2) выполнять роль подающего механизма, а при врезном шлифовании (угол поворота ведущего круга не более 0,5) обеспечивать плотный прижим заготовки к упору.
Обрабатываемая заготовка, расположенная между кругами и опирающаяся на поверхность ножа, вращается со скоростью ведущего круга.
Вращение заготовки происходит благодаря силам трения между заготовкой и ведущим кругом в обратном направлении вращению ведущего круга. Разность скоростей рабочего круга и обрабатываемой заготовки обеспечивает процесс шлифования.
Особенности кинематики процесса бесцентрового шлифования требуют внесения некоторых изменений в имитационную модель. В процессе обработки деталь увлекается шлифовальным кругом во вращение. Ведущий круг вместе с опорным ножом тормозит ее. При тормозном режиме работы происходит некоторое проскальзывание поверхности детали относительно поверхности ведущего круга. В результате деталь приобретает скорость несколько большую, чем описано в формулах (5.29) и (5.30).
Изменение скорости вращения детали и скорости ее продольного перемещения может зависеть от материала ведущего круга, его формы, состояния поверхности, массы и материала детали, компоновки станка, режимов обработки, состава СОЖ и др. факторов [184]. Поэтому в разрабатываемой модели вводится поправочный коэффициента к, учитывающий проскальзывание между ведущим кругом и деталью.
По материалам [226] поправочный коэффициент на минутную поперечную подачу зависит от обрабатываемого материала, от размера и скорости вращения шлифовального круга и определяется выражением к = /cj к2, где kj - коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала, определяется по таблице 5.7, к2 - коэффициент, зависящий от размера и скорости вращения шлифовального круга, определяется по таблице 5.8. Принадлежность определенной марки обрабатываемого материала к группе шлифуемости определяется по справочнику [227].
В процессе обработки заготовка многократно совершает оборот вокруг своей оси. Для моделирования процесса шлифования необходимо знать величину фактической глубины резания на каждом обороте заготовки, так как без этого невозможно рассчитать профиль обработанной детали и определить величину съема металла. Схема определения фактической глубины резания представлена на рисунке 5.17.
Устранение автоколебаний при точении
Модели для расчета автоколебаний при лезвийной обработке применимы не только для расчета составляющей шероховатости, но и могут иметь самостоятельное значение. При вибрациях в технологической системе кроме снижения качества обработки возрастает износ инструмента и вероятность его выхода из строя. Интенсивные автоколебания снижают управляемость процессом обработки, искажая все имеющиеся зависимости. Рассмотрим пример прогнозирования автоколебаний и технологических мер их предотвращения на конкретной операции механической обработки.
При точении коленчатого вала двигателя Д446 завода транспортного машиностроения г. Барнаула на операции 015 базового технологического процесса - обточить хвостовик и 1-ую коренную шейку предварительно -практически всегда наблюдаются достаточно интенсивные автоколебания, сопровождаемые значительной акустической эмиссией. Шероховатость и волнистость поверхности детали находится в пределах допуска, но повышенный износ и отказы (поломки) инструмента требуют принятия технологических мер для устранения данного явления. Автоколебания возникают при обработке проходным резцом, оснащенным твердым сплавом Т5К10, диаметр обрабатываемой поверхности 0112.0.22, длина бб"14 5. Геометрия резца:
- передний угол у = 0;
- задний угол а = 10;
- главный угол в плане ср= 35; Режим резания:
- подача S = 0.25 мм/об;
- глубина резания t = 2.5 мм;
- скорость резания v = 87.95 м/мин.
Для изучения автоколебаний без вмешательства в действующий технологический процесс записывался акустический сигнал, соответствующий этим колебаниям. Затем этот сигнал проходил цифровую обработку с помощью специального программного обеспечения Programmable Analysis Software. Analysis Center 2.0. Данный программный продукт позволяет в режиме реального времени отслеживать все частоты, имеющиеся в акустическом сигнале и выводить их в графической и цифровой форме.
Исходный акустический сигнал должен быть представлен в виде звукового файла в формате WAV. На рисунках 7.7 и 7.8 представлены примеры зарегистрированного акустического сигнала при выполнении операции 015. Спектр сигнала содержит большое количество гармоник в связи с наличием шумов в цехе от работающего оборудования. Однако сигнал от автоколебаний явно выделяется из спектра шумов, что позволяет идентифицировать его и определить частоту автоколебаний - со = 2304,1 Гц.
Моделирование процесса автоколебаний производилось по методике, описанной в главе 3. В связи с большой массой и жесткостью детали, использовалась модель одномассовой системы - учитывались только колебания резца. Результаты расчета показали наличие автоколебаний: рис. 7.9.
Для сравнения экспериментальных данных с расчетными с помощью быстрого преобразования Фурье получен спектр автоколебаний с определением резонансной частоты юр. Расчетный спектр приведен на рис. 7.10. При этом расчетное значение частоты автоколебаний ор = 2265 Гц.
Относительная погрешность при сравнении с экспериментальными результатами составляет 1,7%
Эти расчеты подтверждают адекватность модели реальному процессу обработки с достаточно высокой точностью. Однако, целью разработки модели является не только прогнозирование автоколебаний, но и выработки мероприятий по управлению ими, например, для их устранения. В данном случае за счет численного моделирования и экспериментов с моделью при различных значениях технологических параметров было установлено, что для устранения автоколебаний необходимо:
1. Увеличить передний угол с у=0 до у 10.
2. Установить виброгасители на инструменте, увеличивающие демпфирование резца с G = 180 Нх2/м до G 210 Н с2/м.
3. Увеличить жесткость резца сС = 1,138-108 Н/м до С 1,57 109 Н/м за счет изменения его геометрических размеров.
4. Уменьшить величину вылета резца / = 65 мм до / 30 мм. Этот также увеличивает жесткость резца.
5. Уменьшить подачу с S = 0,25 мм/об до S 0,2 мм/об.
В предлагаемых рекомендациях предполагается независимое изменение параметров технологического процесса. Возможно одновременное их варьирование и модель позволяет определить их необходимые значения для устранения автоколебаний.
