Введение к работе
Актуальность темы исследования. Титановые сплавы широко применяются в различных отраслях машиностроительного производства для ответственных изделий: авиационной и космической техники, газоперекачивающей аппаратуры, химического оборудования и судостроения. Это объясняется их высокой удельной прочностью, коррозионной стойкостью и жаропрочностью. Однако существует большая проблема, связанная с их механической обработкой, в частности шлифованием. Так, они имеют низкую теплопроводность, высокую диффузионную способность и малый модуль упругости, особенно при повышенных температурах. Указанные неблагоприятные свойства приводят не только к сокращению срока службы абразивного инструмента, но также сопровождаются снижением точности и качества обработанных изделий из титана. Наряду с этим в механизмах и узлах современных машин используется большая номенклатура нежестких деталей с тонкими стенками. Их механическая обработка по сравнению с деталями абсолютной жесткости имеет свои особенности, которые не в полной мере учитываются при проектировании шлифовальных операций.
В результате разработки методов более точной ковки и литья шлифование становится приоритетным процессом обработки заготовки до окончательных размеров без предварительного точения или фрезерования. К эффективным мерам улучшения обрабатываемости титановых сплавов шлифованием следует отнести использование высокопористых кругов (ВПК) из карбидов кремния черного, зеленого и кубического нитрида бора. Однако до сих пор отсутствуют рекомендации по выбору характеристики этих абразивных инструментов для обеспечения большой совокупности параметров качества деталей с учетом их рассеяния, что невозможно предсказать без привлечения методов искусственного интеллекта, например, искусственных нейронных сетей (ИНС). В последние годы ИНС становятся наиболее эффективным инструментом в задачах классификации при большом количестве входных и выходных источников информации. Сказанное позволяет повысить эффективность плоского шлифования деталей из титановых сплавов. В задаче многокритериальной оптимизации шлифования привлечен метод поиска экстремума с помощью симплекс-планирования и использования моделей многомерного дисперсионного анализа.
Цель работы. Повышение эффективности операций плоского шлифования за счет разработки комплекса технических решений, обоснованных анализом взаимодействия абразивных кругов различной пористости из карбида кремния и кубического нитрида бора с поверхностями заготовок из титановых сплавов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработка нового метода количественного определения опорной площади поверхности при отделочных и финишных обработках.
-
Изучение влияния характеристик абразивных кругов на качество шлифованных деталей из титановых сплавов с учетом рассеяния его показателей и
выбор наилучшего инструмента с использованием моделей искусственных нейронных сетей.
3. Изучение фазовых превращений в поверхностном слое при плоском
шлифовании деталей из сплава ВТ22.
-
Поиск регрессий многомерного дисперсионного анализа для прогнозирования качества шлифованной поверхности и управления процессом шлифования.
-
Выявление роли операционного припуска, величины и направления варьирования податливости деталей на процесс плоского шлифования титановых заготовок.
-
Использование разработанных регрессий для многокритериальной оптимизации процесса плоского шлифования по критериям снижения трудоемкости и повышения опорной площади поверхности деталей.
7. Разработка технологических рекомендаций плоского шлифования де
талей из титановых сплавов.
Объект исследования. Операция плоского шлифования поверхностей заготовок из титановых сплавов абразивными кругами различной пористости из карбидов кремния черного, зеленого и кубического нитрида бора.
Предмет исследования. Закономерности формирования показателей качества поверхности при обработке заготовок из титановых сплавов на операциях высокопроизводительного плоского шлифования.
Методы исследования. Теоретические основы исследования базируются на научных основах технологии машиностроения и шлифования металлов, теории математической статистики, моделирования, активного эксперимента, оптимизации технологических процессов и искусственных нейронных сетей. Экспериментальные данные получены с помощью измерительных приборов: программного комплекса на базе профилографа-профилометра модели 252 завода «Калибр», рентгеновского дифрактометра Shimadzu XRD-7000, микрокатора 2-ИПМ, микротвердомера ПМТ-3 и др.
Научная новизна работы:
-
Разработана методика количественной оценки относительной опорной части плоской поверхности с привлечением цифровых технологий.
-
Установлено влияние характеристик абразивного инструмента и режимов резания на показатели качества поверхности при плоском шлифовании заготовок из титановых сплавов за счет применения статистических методов моделирования и теории искусственных нейронных сетей. Теоретически обосновано и экспериментально доказано в главах 3 и 4.
-
На основе исследования механизма удаления материала с поверхностей заготовок установлены взаимосвязи операционных припусков с режимами резания. Доказано, что припуск является существенным фактором, определяющим эффективность обработки при плоском шлифовании заготовок из титановых сплавов. Теоретически обосновано в главе 3 и экспериментально доказано в главе 4.
4. Предложена методика расчета оптимальных по быстродействию режи
мов плоского шлифования, позволяющая обеспечивать заданное качество обра-
4
ботки поверхностей деталей из титановых сплавов при снижении трудоемкости и рассеяния выходных показателей процесса на основе использования статистических моделей и его оптимизации методом симплекс-планирования.
Практическая значимость работы. Работа является научной основой для проектирования операций плоского шлифования деталей различной жесткости, изготовленных из титановых сплавов. Полученные результаты могут быть внедрены в производство для изготовления деталей из титановых сплавов с различными служебными свойствами. При этом результаты многокритериальной оптимизации по критерию снижения трудоемкости с учетом рассеяния показателей качества шлифуемых поверхностей, в первую очередь, необходимо использовать в автоматизированном производстве, включая шлифование на станках с ЧПУ.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Методика цифрового топографирования для количественной оценки относительной опорной части плоской поверхности деталей.
-
Результаты исследования влияния характеристик абразивных кругов на качество титановых деталей и результаты классификации абразивных кругов с привлечением нейронных сетей.
-
Технологические приемы повышения качества шлифованной поверхности деталей из титановых сплавов, полученные с привлечением нейронных сетей.
-
Результаты исследования влияния процесса плоского шлифования на фазовые превращения в титановом сплаве ВТ22.
-
Модели параметров качества деталей на основе искусственных нейронных сетей и многомерного дисперсионного анализа. Результаты оптимизации процесса плоского шлифования с учетом служебного назначения деталей.
-
Технологические рекомендации плоского шлифования деталей из титановых сплавов.
Степень достоверности и апробация результатов. Основные положения диссертации представлены и обсуждены на XIX-й Международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (г. Пенза, 2015 г.), V-ой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Жизненный цикл конструкционных материалов (от получения до утилизации)» (г. Иркутск, 2015 г.), VI-ой и IX-ой всероссийских научно-практических конференциях «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» (г. Иркутск, 2016 и 2017 гг.), VI-ой Международной заочной научно-практической конференции «Автоматизированное проектирование в машиностроении» (г. Новокузнецк, 2016 г.).
Внедрение результатов работы. Полученные результаты работы апробированы и используются в учебном процессе для студентов машиностроительных специальностей Института авиамашиностроения и транспорта ИРНИТУ.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 12 работ, в том числе 5 статей в научных изданиях, рекомендованных перечнем
ВАК РФ для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций; 2 публикации в международных изданиях, входящих в перечень Scopus и WoS.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, включающего 195 наименований, 4 приложения. Основная часть работы изложена на 166 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков, 52 таблицы. Общий объем работы 193 страницы.