Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1. Требования к формообразующим деталям пресс-форм для получения изделий из стекла 8
1.2. Параметры шероховатости обрабатываемых поверхностей 9
1.3. Обработка поверхностей цилиндрическими фрезами. Силы возникающие при фрезеровании 15
1.4. Влияние характеристик обрабатываемого материала на скорости процесса резания 22
1.5. Автоматическое управление шероховатостью обрабатываемой поверхностью 29
1.6. Постановка задачи исследований 36
Выводы по главе 1 38
Глава 2. Теоретическое исследование бесконтактного метода контроля шероховатости 39
2.1. Структура временных затрат на изготовление пресс-формы 39
2.2. Формирование геометрии микропрофиля обрабатываемой поверхности 44
2.3. Влияние режимов обработки и свойств обрабатываемого материала на высоту гребешков микропрофиля получаемой поверхности 51
2.4. Теоретическое обоснование бесконтактной оценки шероховатости поверхности 53
2.5 Влияние силовых факторов на процесс формирования микропрофиля поверхности 63
Выводы по главе 2 69
Глава 3. Экспериментальное исследование шероховатости при обработке жаропрочных сплавов сферическими фрезами 70
3.1. Условия, образцы и оборудования для проведения исследований ..70
3.2. Моделирование процесса образования микропрофиля поверхности 74
3.3. Статистическая обработка результатов измерений шероховатости фрезерованных поверхностей 82
3.5. Эксперимент по определению режимов фрезерования при обеспечении шероховатости поверхности 90
Выводы по главе 3 100
Глава 4. Использование результатов теоретических и экспериментальных исследований при изготовлении формообразующих деталей пресс-форм 102
4.1. Сравнение экспериментальных и расчетных значений получаемой шероховатости 102
4.2. Определение коэффициента преобразования 106
4.3. Реализация прибора для измерения шероховатости по величине шага 109
4.4 Алгоритм бесконтактного контроля шероховатости 110
4.5. Технология обработки формообразующих деталей пресс-формы 115
4.6. Экодомическая оценка предлагаемых решений 117
Выводы по главе 4 117
Основные результаты и выводы 119
Библиографический список 122
Приложения 133
- Обработка поверхностей цилиндрическими фрезами. Силы возникающие при фрезеровании
- Влияние режимов обработки и свойств обрабатываемого материала на высоту гребешков микропрофиля получаемой поверхности
- Моделирование процесса образования микропрофиля поверхности
- Реализация прибора для измерения шероховатости по величине шага
Введение к работе
Актуальность работы. Условия современного рынка требуют быстрой смены номенклатуры выпускаемых изделий как при изготовлении сложной машиностроительной продукции, так и потребительских товаров бытового назначения. Предприятия, занимающиеся массовым выпуском изделий из стекла с использованием пресс-форм, несут значительные затраты на изготовление и ремонт оснастки.
Основные трудозатраты при изготовлении пресс-форм составляют расходы на изготовление формообразующих деталей - матриц и пуансонов. Обработка, а главным образом доводка, рабочих поверхностей этих деталей выполняется вручную высококвалифицированным персоналом, при этом стоимость ручных работ может составлять до 80% от стоимости всей технологической оснастки. Применение современных высокопроизводительных обрабатывающих центров позволяет получать точные фасонные поверхности. При изготовлении формообразующих деталей должен постоянно осуществляется контроль как параметров точности получаемых деталей, так и шероховатости поверхностей. Геометрические параметры деталей успешно контролируются специальными контрольно-измерительными машинами (КИМ) или непосредственно на станке специальными датчиками, периодически устанавливаемыми в шпиндель станка. Считается, что шероховатость поверхности получается автоматически при назначении соответствующих режимов обработки. Для нахождения режимов, обеспечивающих шероховатость, требуется проведение серии экспериментов по обработке фасонных поверхностей, с применением специальных приборов для замера параметров величины микронеровностей. Эти же приборы требуются и при выполнении обработки методом пробных ходов.
Разработка современных высокопроизводительных методов получения рабочих поверхностей пресс-форм для производства деталей из стекла с использованием оперативного контроля шероховатости поверхности является актуальной задачей для предприятий, занятых производством изделий из стекла, её решение позволит, в конечном счёте, снизить себестоимость и повысить конкурентоспособность продукции.
Цель и задачи исследования. Разработка моделей и методов получения сложнопрофильных поверхностей формообразующих деталей пресс-форм путём сокращения времени оперативного контроля шероховатости обрабатываемой поверхности.
Для достижения поставленной цели автором были решены следующие задачи:
- определено влияние на оперативное время способа выполнения контроля шероховатости;
определена связь между высотой микронеровностей и шагом гребешков фрезерованных поверхностей деталей из никелевых сплавов;
определены технологические режимы обработки фасонных поверхностей деталей из никелевых жаропрочных сплавов для получения необходимой шероховатости;
получена модель способа бесконтактного контроля шероховатости поверхности;
- дана экономическая оценка разработанного способа контроля.
Методы исследований:
методы системно-структурного анализа;
методы математической статистики;
численные методы высшей математики.
Научную новизну работы составляет модель обработки детали го жаропрочного сплава с оперативным контролем шероховатости, имеющую фасонную поверхность. Составляющими научной новизны являются:
связи в технологической системе обработки фасонных деталей пресс-форм для получения изделий из стекла, заключающиеся во влиянии способа оперативного контроля на время обработки;
модель бесконтактного способа контроля нелинейных поверхностей деталей, отличающаяся использованием двумерного графического изображения поверхности для определения параметров микропрофиля;
алгоритм оценки шероховатости поверхности, отличающийся анализом плоского графического изображения поверхности на основе использования найденного коэффициента преобразования;
методика назначения технологических режимов обработки жаропрочных сплавов твердосплавными сферическими фрезами, использующая коэффициент коррекции прогнозируемой шероховатости.
Практическую значимость работы составляют методики и алгоритмы получения сложных фасонных поверхностей деталей из никелевых сплавов, основанные на способе оперативного контроля шероховатости и коррекции режимов обработки.
Разработанный способ бесконтактного контроля шероховатости поверхности получаемой детали пресс-формы, основанный на модели, использующей коэффициент преобразования шага микронеровностей в высоту микропрофиля .
Положения, выносимые на защиту:
модели образования гребешка микропрофиля получаемой поверхности при обработке заготовки из жаропрочного сплава сферическими фрезами;
результаты теоретических и экспериментальных исследований по нахождению коэффициента коррекции высоты профиля гребешка микронеровности и коэффициента преобразования значений шероховатости;
модель и алгоритм бесконтактного способа контроля шероховатости;
5 - методика обработки сложнопрофилышх поверхностей с использованием бесконтактного оперативного способа контроля шероховатости получаемой поверхности.
Достоверность выводов и рекомендаций обусловливается корректностью применения основных метаматематических и физических законов, отсутствием противоречий с основными положениями научной дисциплины «Технология машиностроения», допустимым интервалом сходимости результатов экспериментальных и теоретических исследований, положительным опытом внедрения результатов работы
Личный вклад соискателя.
Все разделы представленной работы выполнены лично автором. Все изложенные в диссертационной работе результаты получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии.
Результаты работы нашли внедрение в ООО «Стандарт Пластик Групп», ОАО «СтарГласс», внедрены в учебный процесс по дисциплинам кафедры технология машиностроения БГТУ им. В. Г. Шухова
Апробация работы. Результаты работы докладывались на международных научно-технических конференциях: Международной научно-практической конференции «Дни науки 2005» (Украина, Днепропетровск, 2005); 4-й - Международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии развития» (Тамбов, 2008); Международной научно-практической конференции «Состояние, проблемы и перспективы автоматизации технической подготовки производства на промышленных предприятиях» (Брянск, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть научных работ, в том числе две работы в журналах, рекомендованном ВАК РФ, получен патент РФ на полезную модель.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, библиографического списка, приложений. Объем основного текста работы - 132 страницы машинописного текста, библиографический список содержит 121 наименование.
Обработка поверхностей цилиндрическими фрезами. Силы возникающие при фрезеровании
Координатные оси станка при фрезеровании цилиндрической фрезой на горизонтально-фрезерном станке направляют таким образом, чтобы две оси (HuV) находились в рабочей плоскости: одна из осей — в направлении подачи, а другая - ей перпендикулярна, а третья ось W, перпендикулярная рабочей плоскости, совпадала с осью вращения фрезы (рис. 1. 3).
К технологическим силовым характеристикам процесса фрезерования цилиндрическими фрезами относят вертикальную Pv, горизонтальную Рн и осевую Pw силы, а также крутящий момент Мкр и мощность Ne.
Горизонтальная сила Рн совпадает с направлением SM- При встречном фрезеровании векторы подачи SM и силы Рн направлены навстречу друг другу, а при попутном - в одном направлении (рис. 1.4).
Вертикальная сила Pv прижимает стол фрезерного станка к направляющим. Неблагоприятным является случай, когда сила Pv изменяет свое направление, будучи направленной вверх, отрывает стол от направляющих. С этой точки зрения схема встречного фрезерования менее благоприятна. При встречном фрезеровании сила Pv уменьшается и может изменить направление с увеличением глубины врезания t. В связи с этим при расчете режимов резания при фрезеровании необходимо учитывать величину и направление силы Pv. При попутном фрезеровании сила Pv всегда направлена вниз, что благоприятно сказывается на плавности перемещения стола.
При наличии зазоров в механизме подачи при попутном фрезеровании стол фрезерного станка может перемещаться рывками, что приводит к резкому изменению толщины срезаемого слоя, сил фрезерования и к поломке фрезы.
Во избежание этого для работы с попутной подачей станки оборудуются натяжными устройствами, воздействующими на стол в направлении против подачи.
Осевая сила Pw прижимает фрезу к шпинделю, или, напротив, отрывает ее от шпинделя станка вдоль оси его вращения. Крутящий момент Мкр относительно оси шпинделя (или фрезы) нагружает фрезу и механизм коробки скоростей станка и вместе с частотой вращения п определяет мощность Ne привода главного движения. Изменение крутящего момента на шпинделе фрезы характеризует неравномерность фрезерования. С этой точки зрения наиболее благоприятной является схема равномерного фрезерования (см. рис. 1.3 и 1.4), а наименее благоприятным является случай, когда для некоторой части поворота фрезы ни один зуб не находится в зоне резания.
Как и при точении технологические составляющие силы при свободном косоугольном фрезеровании определим, проектируя на технологические оси силы стружкообразования R и силы на задних поверхностях режущих зубьев.
Особенности расчета силовых характеристик при фрезеровании цилиндрическими фрезами с винтовыми зубьями в сравнении с рассмотренным выше свободным косоугольным связаны с тем, что фрезерование является нестационарным резанием. В отличие от рассмотренного выше торцового прямоугольного фрезерования при фрезеровании цилиндрическими фрезами с винтовыми зубьями необходимо учитывать влияние угла наклона режущих кромок Л.
Влияние режимов обработки и свойств обрабатываемого материала на высоту гребешков микропрофиля получаемой поверхности
При обработки поверхности формируемый микропрофиль подвергается различным воздействиям: механическим, тепловым, адгезионным. При этом реальная величина получаемого гребешка не соответствует расчетному геометрическому.
При адгезионном воздействии [54] часть материала снимается режущей частью инструмента за счет его налипания на режущие кромки.При механическом воздействии на гребешок микропрофиля происходит его пластическая деформация и разрушение. Разрушается вершина гребешка, так как она имеет наименьшую ширину и, следовательно, более подвержена разрушению под действием сил, возникающих в зоне резания.
При тепловом или термическом воздействии на гребешок микропрофиля вершина гребешка оплавляется, тем самым уменьшается его высота. Причиной теплового воздействия является разогрев поверхности детали и режущей части инструмента в виду наличия тепловыделения при резании. Описанное явление проиллюстрировано на рис. 2.8.
На величину скола вершин гребешка оказывают влияние силы резания и свойства обрабатываемого материала. Действия адгезионных сил при этом не учитываются. Так как влияние их проявляется по самой узкой части микропрофиля, которая уходит либо со стружкой, либо с режущей частью инструмента. Для оценки влияния сил резания на высоту гребешка стоит учитывать свойства обрабатываемого материала: плотность, модуль Юнга, коэффициент Пуассона. Эти параметры описывают твердость обрабатываемой поверхности, жесткость элемента. Аналитическое описание влиянии различных факторов на величину гребешка при современном состоянии базы знаний о свойствах параметров шероховатости не возможно. Использование метода конечно-элементного анализа позволяет произвести приблизительную оценку величины деформаций под действием сил резания и температуры.
Оценка качества поверхности обрабатываемой детали выполняется согласно требованиям ГОСТ 2789-73, так как только в этом стандарте прописаны характеристики качества поверхности. При выборе параметра, оценивающего качество поверхности, следует руководствоваться именно требованиями этого ГОСТа.
Для оценки шероховатости, согласно ГОСТу, требуется измерять размеры элементов величины микропрофиля оцениваемой поверхности: высоту впадин, высоту вершин, базовую длину микропрофиля поверхности. Учитывая порядок размеров перечисленных геометрических элементов, следует учесть трудности при выполнении этих измерений. Именно мизерные размеры элементов микрогеометрии создают трудности в выполнении бесконтактных измерений. Для разработки метода идентификации следует определиться с идентифицируемым параметром.
В одной из работ А.А. Потапова [89] содержится замечание о том, что «поверхности, обработанные традиционными методами подчиняются законам Евклидовой геометрии», это же в полной мере можно отнести к профилю поверхности, получаемому лезвийной обработкой (рис. 2.9).
В формировании микропрофиля поверхности участвует, главным образом, радиус при вершине режущей части инструмента, скопированный на профиле в виде R. Из рис. 2.9 видно, что при известных значениях геометрии режущего инструмента легко можно вычислить другие элементы микропрофиля. Но геометрия режущей части инструмента подвержена износу, и поэтому присутствует только теоретическая возможность вычисления элементов микропрофиля. В то же время, согласно ГОСТу, возможна идентификация микронеровностей по величине их шага, хотя предпочтительным является определение величины шероховатости по величине вершин и впадин на базовой длине.
Но если рассмотреть вопрос вычисления высоты или глубины впадин, то потребуется производить привязку идентификации профиля поверхности с нескольких точек, при этом требуется какой-либо эталон меры или наличие оптического прибора с -соответствующей шкалой. Измерение микропрофиля с нескольких точек весьма затруднительно, достоверность вычисленных значений параметров микропрофиля ставится под сомнение, так как ввиду очень небольших размеров элементов микропрофиля проявляется погрешность в выполнении измерений.
На рис. 2.10 приведен снимок обработанной поверхности детали полученный с помощью микроскопа с ЖЕВ-камер. Снимок предварительно обработан графическим редактором. Обработка заключается в уменьшении разрешения изображения и конвертации цветного изображения в монохромное (черно-белое). На обработанном изображении явно можно идентифицировать шаг микронеровностей, хотя бы на одном из его участков. Замер расстояния между выбранными линиями позволяет определить величину этого шага в микрометрах.
Моделирование процесса образования микропрофиля поверхности
Возможность получения аналитической зависимости параметра технологического процесса обработки всегда предпочтительнее по сравнению с найденной эмпирической зависимостью, но не всегда существуют аналитические пути поиска искомой зависимости. Моделирование процесса получения микрогеометрии профиля обрабатываемой поверхности позволяет получить модель, отражающую деформирование гребешка микронеровности под действием сил резания при фрезеровании, что является важным преимуществом, по сравнению с проведением эксперимента.
В разд. 2.2 и 2.5 проведен анализ образования микропрофиля поверхности и действующих сил резания на фрезу. Согласно выводам, по разд. 2.2 шаг микронеровности определяется величиной подачи на зуб, диаметром (или радиусом) сферической фрезы. Соответственно этим характеристикам находится высота микропрофиля, по которому определяют искомый параметр шероховатости Ra. При обработке плоской поверхности заготовки сферической фрезой высота гребешка может быть найдена по формуле:
Выражение (3.1) действительно без учета свойств материала и условий обработки, а также сил резания, которые вызывают деформацию гребешка микропрофиля поверхности.
Использование пакета, основой которого является алгоритм конечно-элементного анализа позволяет проанализировать деформации гребешка микропрофиля поверхности. В качестве подобного пакета выбран пакет ELCUT, его студенческая версия, распространяемая бесплатно. Все расчёты с использованием это пакета производятся только в статике, так как он не позволяет произвести моделирование нагружений и деформаций в динамике. Использование более мощных пакетов, таких как ANSYS [14], позволяет выполнить моделирование образования деформаций гребешка в динамике, но его использование связано со значительными материальными затратами в виде оплаты лицензии, требует разработки теоретической базы по моделированию фрезерной обработки в динамике, и целью настоящей работы не является выполнение моделирования обработки сферической фрезой. Результаты моделирования деформаций гребешка микропрофиля поверхности позволяют определить направление экспериментального поиска зависимостей, а также оцени-ть форму деформаций и их вид. В то же время создаваемая модель не учитывает всех факторов, возникающих при фрезеровании, например, отжим инструмента, влияние температуры в зоне резания, влияние СОЖ, свойств материала инструмента и т. п. подобное.
Поскольку экспериментальная обработка никелевого сплава выполнялась в соответствии с рекомендациями производителя инструмента и матрицей планирования дробно-факторного эксперимента, то и при моделировании деформаций воспользуемся этими данными, которые приведены в табл. 3.1.
Данных по геометрическому определению параметров микропрофиля обрабатываемой поверхности недостаточно, поэтому следует произвести расчёт усилия, вызывающего деформацию в соответствии с рекомендациями, найденными в разд. 2.5.
Выполним моделирование образования деформаций гребешка фрезеруемой поверхности с использованием ELCUT 5.5 и описанием всех этапов.
Первым этапом является геометрическое построение образуемого микропрофиля поверхности, при этом учитываются следующие параметры: диаметр фрезы, в нашем случае — 12 мм, величина подачи на зуб, в соответствии с табл. 3.1. Геометрическое моделирование можно выполнить в любом графическом редакторе, или в графическом редакторе ELCUT, как это представлено на рис. 3.4, согласно этому рисунку геометрическая модель создаётся с помощью графических примитивов, для решения задачи используется 2)-модель, глубиной элемента, рассчитанной в соответствии со схемой, приведенной на рис. 2.18. В качестве единиц линейных величин приняты микрометры.
Реализация прибора для измерения шероховатости по величине шага
Основой бесконтактного способа контроля шероховатости поверхности основанный на модели, учитывающий особенности оценки шероховатости по её плоскому изображению. Основу модели составляют результаты теоретических и практических исследований, проведенные автором, если теоретические основы, доказывающие возможность преобразования данных, полученных о шаге микронеровностей поверхности детали в параметр Ra.
На первом этапе автором были получены снимки обработанной поверхности, выполненные с использованием цифрового микроскопа, один из этих снимков представлен на рис.4.5, а. Затем в соответствии с теорией, изложенной методике в разд. 2.4, цветные снимки были преобразованы в черно-белые, а точнее в монохромные, как это представлено на рис. 4.5, б. Цветные и монохромные снимки для каждой обработанной поверхности полностью приведены в прил. 2.
Таблица с информацией о монохромном изображении В дальнейшем определяется по методике, приведенной в разд. 2.4, расстояние в пикселях между точками, имеющими одинаковый уровень, умножается на коэффициент масштабирования. Таким образом, вычисляется шаг микронеровностей, полученное значение шага умножается на коэффициент преобразования, и пользователь получает таблицу со значениями шероховатости в Ra для каждого шага микронеровности. Имеющийся массив информации должен пройти статистическую обработку, так как конечного пользователя интересуют не все значения шероховатости, а одно, отражающее шероховатость измеряемого участка поверхности.
При исследовании массивов данных чаще всего оперируют величинами, характеризующими этот массив, именно по ним делается вывод обо всей совокупности данных. К таким характеристикам относятся меры центральной тенденции, т. е. значение, наиболее часто встречающееся в данной совокупности. Этих мер существует несколько [49]:
Мода — это такое значение во множестве наблюдений, которое встречается наиболее часто. Сложность в том, что редкая совокупность имеет единственную моду. (Например: 2, 6, 6, 8, 9, 9, 9, 10 - мода = 9.)
Если все значения в группе встречаются одинаково часто, считают, что у данной группы моды нет.
Когда два соседних значения имеют одинаковую частоту, и эти частоты больше любых других частот в группе, то модой считают среднее от этих двух значений.
Если два несмежных значения имеют равную и наибольшую в данной группе частоту, то у этой группы есть две моды, такая группа называется бимодальной. Бимодальной называется группа и в том случае, если эти две черты не совсем равны. В таких случаях договорились различать большую и малую моду и во всей группе наряду с одной большой модой может быть несколько меньших мод.
Медиана — это 50-процентиль в группе данных. Это значение, которое разбивает выборку на две равные части. Половина наблюдений лежит ниже медианы, и половина наблюдений лежит выше медианы. Если число наблюдений в выборке нечетно, то медиана вычисляется как среднее двух средних значений.
Среднее (среднеарифметическое или выборочное среднее) — это сумма всех значений, разделенная на их количество.
Мода наиболее просто вычисляется и при большом количестве измерений достаточно стабильна и близка к медиане и среднему. Медиана вычисляется сложнее. В больших массивах предлагается сначала сгруппировать их, а потом вычислять медиану. Для определения моды и медианы не требуется знание всех остальных значений.
На основании последнего заключения автор считает, что наиболее приемлемым параметром, адекватно отражающим шероховатость поверхности детали является мода массива, она и использована в алгоритме определения шероховатости поверхности. Таким образом, алгоритм, реализованный в устройстве для бесконтактного определения шероховатости поверхности, выглядит следующим образом (рис. 4.9).
Похожие диссертации на Повышение эффективности технологии механической обработки фасонных поверхностей деталей пресс-форм
