Содержание к диссертации
Введение
1 Проблема технологического обеспечения качества деталей при механической обработке 12
1.1 Анализ факторов, управляющих характеристиками качества поверхностного слоя и эксплуатационными свойствами деталей 12
1.2 Проблема формирования качества обрабатываемой поверхности 35
1.3 О роли инструмента в технологическом управлении качеством поверхности 45
2. Обеспечение качества обрабатываемой поверхности на основе энергетических представлений о процессе резания 58
2.1 Влияние энергетических характеристик процесса резания на состояние обрабатываемой поверхности 58
2.2 Основные положения энергетического подхода к управлению качеством поверхностного слоя 62
2.3 Теоретический анализ условий распространения волн напряжений 73
2.4 Моделирования параметров состояния поверхностного слоя деталей в зависимости от условий обработки 85
2.5 Выводы 108
3 Технологические возможности инструментальных левитационных модулей (ИЛМ) для обеспечения качества поверхности 110
3.1 Классификация инструментальных модулей 110
3.2 Управление геометрическими и физико-механическими параметрами поверхности 115
3.3 Стабилизация параметров состояния поверхностного слоя деталей 206
3.4 Образование регулярных рельефов 220
3.5 Управление характером стружкообразования и обеспечение устойчивого стружкодробления 237
3.6 Возможности скоростной обработки деталей 251
3.7 Применение энергии технологических сред ИЛМ для управления процессом теплооотвода из зоны обработки 263
3.8 Возможности транспортирования СОТС в зону обработки 267
3.9 Управление динамической погрешностью обработки 280
3.10 Контроль состояния поверхности детали и инструмента 285
3.11 Повышение работоспособности инструментов 291
3.12 Выводы 295
4 Методы и аппаратура для экспериментальных исследований 298
4.1 Устройства и методы измерения эксплуатационных характеристик ИЛМ 299
4.2 Методы экспериментального исследования геометрических и физико-механических параметров состояния поверхностного слоя деталей 322
4.3 Методы экспериментального исследования работоспособности инструмента и инструментальных материалов 328
4.4 Выводы 333
5 Работоспособность инструмента и качество обрабатываемой поверхности 336
5.1 Образование стружки, как причина развития энергетических усталостных процессов в обрабатываемом инструментальном материале 336
5.2 О взаимосвязи формирования контактных поверхностей стружки, инструмента и детали с энергетическими характеристиками волновых процессов 342
5.3 Выводы 357
6 Повышение стабильности характеристик обрабатываемой поверхности на основе адаптивного управления инструментальными левитационными модулями (ИЛМ) 359
6.1 Комплексное использование функциональных характеристик опор державки ИЛМ 359
6.2 Технологические возможности повышения стабильности параметров поверхности за счет применения ИЛМ в системах адаптивного управления качеством деталей 365
6.3 Повышение стабильности параметров качества путем создания систем управления процессом стружкодробления 386
6.4 Выводы 394
7 Промышленное использование результатов исследования 396
Заключение 407
Список литературы
- Проблема формирования качества обрабатываемой поверхности
- Теоретический анализ условий распространения волн напряжений
- Управление геометрическими и физико-механическими параметрами поверхности
- Методы экспериментального исследования геометрических и физико-механических параметров состояния поверхностного слоя деталей
Введение к работе
Актуальность темы
Определяется тем, что в настоящее время и в перспективе механическая обработка остается единственным методом достижения высокой точности и качества деталей машин. Около 80% производимых в Российской Федерации деталей машин подвергается обработке резанием.
Управление качеством процессов механической обработки - интенсивно развивающееся научное направление, вызванное к жизни повышением эффективности современного производства.
Повышение основных показателей машин и механизмов - их надежности и КПД, определяется эксплуатационными свойствами деталей и соединений (пределом выносливости, износостойкостью, коэффициентом трения, коррозийной стойкостью, контактной жесткостью, прочностью посадок, герметичностью соединений и др.), которые, в свою очередь, зависят от обеспечения параметров поверхностного слоя обрабатываемых деталей при различной технологии их изготовлений.
Важным элементом высоких технологий и обычных методов обработки деталей является технологический инструмент. Успешному решению проблемы технологического обеспечения качества поверхности обрабатываемых изделий препятствует использование традиционного инструмента, основанного на элементах контактной механики и несоответствующего современному высокоточному и производительному металлообрабатывающему оборудованию. Решение задачи повышения работоспособности и надежности инструмента является резервом повышения качества и конкурентоспособности машиностроительной продукции.
Разработка новых агрегатно-модульных устройств и технологий, обеспечивающих малую погрешность формирования геометрических и физико-механических параметров поверхности детали при механической обработке, создание стабильных условий протекания процесса резания и повышение его надежности является одной из наиболее актуальных проблем машиностроения.
По мере развития науки и техники верхний предел достижимых параметров качества непрерывно повышается, финишная обработка смещается в сторону прецизионной технологии. Возможность получения при механической обработке системы параметров поверхностного слоя с прецизионной точностью зависит от целого комплекса технологических функций, создаваемых технологических инструментальных модулей (управление параметрами качества поверхности в процессе обработки, уменьшение разброса и стабилизация параметров поверхностного слоя, формирование регулярного микрорельефа, обеспечение устойчивого стружкодробления, скоростная обработка, управление процессом теплоотвода, транспортирование СОТС в зону обработки, контроль за ходом технологического процесса и др.)
В машиностроении известны примеры решения технологических задач с использованием элементов левитационной бесконтактной механики. Они обладают высокой точностью позиционирования, плавностью хода, высоким динамическим качеством (жесткостью и демпфированием), возможностью регулирования параметров физического поля левитационных устройств и могут надежно работать в условиях металлообработки. Технологические возможности элементов, реализующих эффекты технической левитации, полностью не раскрыты и изучены еще недостаточно.
Инструментальные модули, использующие прецизионные эффекты и технологические возможности технической левитации, представляются эффективным средством повышения качества обрабатываемых поверхностей в машиностроении, поэтому исследование технологических возможностей нового класса инструментов - инструментальных левитационных модулей (ИЛМ) и их внедрение является задачей актуальной и современной.
Диссертационная работа направлена на решение науко-технической проблемы создания методологии обеспечения качества механической обработки, основанной на применении инструментальных левитационных модулей и имеющей важное народно-хозяйственное значение.
Теоретическая часть диссертации содержит энергетический подход к формированию поверхностного слоя деталей, рассмотрение распределения потоков энергии в детали и инструменте, изучение влияния энергетических характеристик процесса резания на состояние обрабатываемой поверхности, обоснование энергетических критериев управления качеством, разработку моделей процесса формирования поверхностного слоя деталей.
Исследование прикладных вопросов энергетического подхода к процессу формирования поверхностей деталей содержат: изучение технологических возможностей инструментальных левитационных модулей (ИЛМ); разработку методов обеспечения и повышения качества механической обработки; изучение и обеспечение средств стабилизации технологического процесса механической обработки; разработку методов оптимизации конструктивно-технологических параметров ИЛМ по энергетическим критериям качества поверхности; теоретическое и экспериментальное исследование возможности повышения работоспособности инструментов и производительности механической обработки на основе ИЛМ.
Энергетический подход к формированию поверхности деталей связан с необходимостью изучения влияния конструктивных и режимных параметров технических левитационных устройств на геометрические и физико-механические характеристики качества поверхности. Эффективными средствами исследования и интегральной оценки процессов, происходящих в поверхностном слое контактирующих материалов под действием изменяющихся механо-термических условий внешнего нагружения, являются методы внутреннего трения и акустической эмиссии. Эти методы позволяют получать данные об энергетических характеристиках процессов, характере разрушения поверхности и характеристиках качества механической обработки.
Таким образом, комплексное исследование технологических возможностей ИЛМ и закономерностей формирования поверхностного слоя деталей при механической обработке необходимо как с научной, так и с прикладной точек зрения.
Цель работы.
Повышение эффективности управления геометрическими и физико-механическими параметрами качества поверхности детали при механической обработке на основе агрегатно-модульных левитационных устройств для повышения стабильности эксплуатационных характеристик машин и механизмов.
Задачи исследований.
1. Разработать методологию и изучить закономерности энергетического подхода к формированию поверхностного слоя обрабатываемых деталей; дать обоснование выбора энергетических критериев обеспечения качества и стабильного формообразования поверхности.
2. Разработать модели параметров качества поверхности с учетом их обеспечения управляемыми энергетическими характеристиками технических левитационных устройств технологических инструментальных модулей.
3. Классифицировать инструментальные модули по конструктивно- технологическим и кинематическим признакам; разработать технологические методы обеспечения качества обрабатываемой поверхности на основе технологии инструментальных левитационных модулей (ИЛМ) для всех кинематических левитационных групп.
4. Экспериментально исследовать технологические возможности инструментальных левитационных модулей (ИЛМ) I-IV класса с целью определения области их эффективного применения и создания математических оптимизационных моделей обеспечения качества поверхности при механической обработке.
5. Установить принципы обеспечения качества при адаптивном управлении ИЛМ и изучить закономерности автоматического обеспечения геометрических и физико-механических параметров обрабатываемой поверхности.
6. Разработать рекомендации для машиностроения по применению новых агрегатно-модульных левитационных устройств и технологических методов управления качеством, по назначению оптимальных режимов резания и конструктивно-технологических параметров ИЛМ, по прогнозированию обеспечения параметров обрабатываемой поверхности на основе технологии ИЛМ.
Научная новизна.
- создана методология обеспечения качества механической обработки основанная на применении инструментальных левитационных модулей;
- получена математическая модель формирования поверхностного слоя детали, учитывающая величину потоков энергии и условия их распределения в технологической системе; обоснованы и предложены энергетические критерии обеспечения качества обрабатываемой поверхности;
- разработаны математические модели параметров качества поверхности детали, учитывающие их обеспечение за счет управляемых характеристик рассеяния энергии в технических левитационных устройствах технологических интрументальных модулей, и позволяющие на этапе проектирования оценить шероховатость, волнистость и степень упрочнения поверхности;
- создан новый класс инструментальных левитационных модулей и совокупность технологических методов, повышающих качество обрабатываемых изделий, стабилизацию процесса и работоспособность инструмента;
- разработаны математические оптимизационные модели конструктивно-технологических и режимных параметров инструментальных левитационных модулей , позволяющие в производственных условиях управлять параметрами качества поверхности деталей;
- разработаны научные основы технологического обеспечения качества обрабатываемой поверхности деталей путем целенаправленного воздействия через инструментальные левитационные модули на процесс формирования поверхностного слоя;
- теоретически и экспериментально изучены возможности повышения качества поверхности адаптивными ИЛМ на основе стабилизации энергетических критериев процесса механической обработки;
на основании теоретических и экспериментальных исследований инструментальных левитационных модулей I-IV класса разработан комплекс специальных технологических методов и технологических устройств, в том числе и автоматических, для обеспечения качества обрабатываемой поверхности при лезвийной, алмазно-абразивной и отделочно-упрочняющей обработке. Новизна предложенных технических решений подтверждена авторскими свидетельствами и патентами РФ.
На защиту выносится:
1. Методология технологического обеспечения качества механической обработки, основанная на энергетическом подходе и целенаправленном воздействии через инструментальные левитационные модули на процесс формирования поверхностного слоя обрабатываемых деталей.
2. Математическая модель формирования поверхностного слоя детали, учитывающая величину потоков энергии и условия их распределении в технологической системе.
3. Математические модели параметров качества поверхности детали, учитывающие их обеспечение за счет управляемых характеристик рассеяния энергии в технических левитационных устройствах технологических инструментальных модулей и позволяющие на этапе проектирования оценить шероховатость, волнистость и степень упрочнения поверхности.
4. Совокупность технологических методов и новый класс технологических средств - инструментальные левитационные модули (ИЛМ), на основе которых реализуется возможность повышения качества поверхности обрабатываемых изделий и стабилизация процесса механической обработки.
5. Методика экспериментального моделирования процесса резания, в которую параметры, определяющие рассеяние энергии в инструментальных левитационных модулях, входят как факторы управления показателями качества обрабатываемой поверхности.
6. Результаты теоретических и экспериментальных исследований технологических возможностей инструментальных левитационных модулей (ИЛМ) по обеспечению качества обрабатываемой поверхности.
7. Математические оптимизационные модели конструктивно-технологических и режимных параметров инструментальных левитационных модулей (ИЛМ).
8. Технологические рекомендации по обеспечению качества механической обработки деталей машин на основе технологии левитационных модулей (ИЛМ).
9. Использование результатов работы при создании новых технологических методов механической обработки на различных предприятиях Российской Федерации.
Проблема формирования качества обрабатываемой поверхности
Необходимо рассматривать комплексный характер проблемы формирования поверхности детали, исходя из стабильности и надежности процесса непосредственного взаимодействия на любых операциях механической обработки двух элементов технологической системы: детали и инструмента.
О роли инструмента в технологическом управлении качеством поверхности см. ниже в разделе 1.3.
Комплексность данной проблемы определяется также необходимостью получения различных видов рельефа поверхности деталей работающих в машинах, обеспечения в процессе механической обработки устойчивого стружкообразования и стружкодробления, в том числе и при высоких скоростях резания, применения высокоэффективных смазочноохлаждающих технологических сред (СОТС), применения систем контроля состояния поверхности детали и инструмента, и необходимостью управления этими процессами с высокой точностью и разрешающей способностью.
Формирование показателей качества поверхности детали, как показывают многочисленные исследования [193; 254; 270; 301; 307; 312; 352] связано с проблемой стабильного достижения высоких эксплуатационных характеристик деталей и эксплуатационной надежности машин. Анализ надежности различных изделий (комбайнов, кранов, экскаваторов, металлорежущих станков и др.) показывает, что 25-50% их отказов вызвано дефектами производства, т. е. ненадежным получением параметров качества в заданных пределах.
А.С. Проников анализировал [270] надежность металлорежущих систем различных видов по показателям безотказности, долговечности, ремонтопригодности, сохраняемость с учетом стабильного обеспечения точности обрабатываемых деталей.
В.И. Ишуткин рассматривал [270] возможности повышения надежности технологической системы СПИД за счет рациональных методов настройки, оптимизации режимов резания и обеспечения безвибрационного резания.
В. К. Старков разработал [309] методологию управления стабильностью и качеством на основе комплексной оптимизации процесса резания. Он указал на связь физико-химических явлений возникающих в процессе механической обработки и стабильностью стружкообразования. По его мнению, процесс стружкообразования стабилизируется при достижении равных напряжений, действующих на обрабатываемый материал детали и режущего инструмента, а неустойчивость процесса объясняет неоднородностью и цикличностью пластического деформирования. Управление качеством обработки В.К. Старковым предложено по энергетическому критерию - величине скрытой энергии деформирования Uc, как интегральной характеристике напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя. В соответствии с этим критерием им показана зависимость в первую очередь размерной стабильности деталей от стабильного физико-химического состояния поверхностного слоя после обработки резанием. Кроме того, при оптимизации процессов им установлен стохастический характер изменения параметров шероховатости и др.
По мнению Н.В. Талантова [318] неустойчивость процесса резания объясняется нарушением термодинамического равновесия между деформационным упрочнением и тепловым разупрочнением, и как следствие, получением нестабильных параметров качества поверхностного слоя.
В.П. Федоров [328] рассмотрел надежность технологических процессов по обеспечению заданных характеристик качества поверхностного слоя с учетом структуры и наследственности технологических процессов, а также с учетом качественного различия технологических методов, привел [328] коэффициенты достижения заданных параметров.
Шакалисом В.В. разработана методика расчета показателей надежности технологического процесса с учетом статистического характера изменений (отказов) параметров заготовок, характеристик системы СПИД, режимов резания, износа инструмента.
Большинство авторов [123; 309; 312; 316], определяя в исследованиях показатели стабильности и надежности, указывает, что на практике преобладают только те параметры, которые чаще всего в производственных условиях нормированы на чертежах. Хотя многие из неучтенных параметров оказывает существенное влияние на эксплуатационные свойства изделий и показатели надежности. Особенно это относится к большому числу параметров поверхностного слоя.
Так, во многих исследованиях по установлению влияния различных методов и режимов обработки на параметры состояния поверхностного слоя в качестве основных используют: для шероховатости - Ra, для физико-механических параметров - величину глубины и степень наклепа (Мц, hn, Нп), а также остаточные напряжения - оост.
Во всех исследованиях, даже по ограниченному числу параметров, установлена нестабильность характеристик качества поверхности для любых методов обработки при изменении и взаимосвязи режимов резания (рис. 1.24 -1.28).
В. К. Старковым [310] нестабильность процесса механической обработки связана с нестабильностью химического состава, физико-механических свойств, припуска заготовок, полученных различными методами.
П. И. Ящерицыным нестабильность процесса механической обработки показана во взаимосвязи с наследственностью, т. е. с учетом параметров поверхностного слоя достигнутых после предыдущих методов обработки.
В работах Э.В. Рыжова, А.Г. Суслова [301] приведен большой экспериментальный материал, в котором формируемые показатели качества поверхностного слоя при различных методах обработки в большинстве своем представлены в пределах достижимого верхнего и нижнего уровней. Причем, пределы параметров состояния обрабатываемой поверхности различаются при некоторых технологических методах от 50% до 1000%, из-за различных условий обработки и нестабильности процесса резания.
Теоретический анализ условий распространения волн напряжений
Для оценки рассеяния энергии в слоистой композиции введем отношение энергий на входе и выходе в слой, связанную с величиной ВТ соотношением: W IW =\-0 1 При прохождении потока энергии через поверхностный слой интенсивность потока убывает, изменяясь в зависимости от поглощающих свойств нижележащего слоя. Тогда: Ф,/Ф.-1-С" (2.29) где: Фі - поток энергии на границе раздела, а на противоположной границе переходного слоя: Фл/Ф =1-(9,-1 2 вх 2 (2.30) Индексы 1 и 2 величин Q л обозначают номер слоя в слоистой композиции.
Энергетический импульс, проходя через первый слой, передается во второй через активные центры сцепления, затухая на неоднородностях граничного слоя. Из (2.29) и (2.30) получим Ф2/Фь которое характеризует потери энергии в переходном слое. Переходный слой, где формируется дефектная структура с порами, включениями, представляет собой слой определенной толщины в окрестности границы раздела, характеризующийся градиентами химического состава и свойств, и изменяющимися условиями динамического натяга. Отношение Ф2/Ф1 связано с уровнем ВТ переходного слоя Qnc" : Ф2/Ф, = 1-Qnc"1 (2.31)
Изменение энергии в "слоистой" модели при нагружении происходит непрерывно, его можно записать в виде: Ф /Ф =1-0" где: Qo6m - общий уровень фона ВТ многослойной системы. Уравнения (2.31) и (2.32) позволяют получить формулу, связывающую общий фон уровня ВТ для сложной композиции с уровнями ВТ отдельных слоев Qo6m" ai-1-(1-0,- 1- 1- ) »„. или «_-»J-flr,Xi-cs Xi-ail-a J&-fir,](i-e W-a!.)&-a,)&-aL] (2.34)
Предложенная модель учитывает динамику структурных перестроек в материале под действием внешних нагрузок и, изменяющегося динамического натяга в системе, и позволяет по энергетическим параметрам нагружения оценивать эксплуатационные характеристики поверхностного слоя деталей, но для практического решения задач обеспечения качества и технической диагностики процессов механической обработки необходимо разработать устройства и способы измерения затухания колебаний, определения коэффициента поглощения колебаний, структурного анализа, экспериментально исследовать параметры качества поверхности при различных условиях резания. 2.3. Теоретический анализ условий распространения волн напряжений. Образование поверхностного слоя детали при механической обработке обусловлено распространением волн напряжений при фрикционном взаимодействии с инструментом, в условиях разнородных материалов, заданного динамического натяга и других процессов, происходящих на поверхностях контакта.
Рассмотрим взаимодействие двух шероховатых поверхностей материалов, различающихся по упругим свойствам, значениям коэффициентов Пуассона, скорости распространения продольных и поперечных волн, допуская, что на поверхности раздела возможен жесткий и скользящий контакт.
Уравнения для определения скорости распространения волн, локализующихся в тонких поверхностных слоях материалов, контактирующих при трении, известны и исследованы в работах [30; 145].
Одним из видов поверхностных волн являются волны, распространяющиеся вдоль границы раздела двух полупространств, локализованные вблизи нее и называемые волнами Стоунли (ВС).
Вопросы существования ВС, кинематика и динамика возмущений, распространяющихся в упругих средах, изучались в [187].
В [187] рассмотрена задача о распределении энергии в полупространствах при прохождении ВС. Рассмотрим упругое составное пространство, образованное из 2-х состыкованных полупространств. Ось Z декартовой системы координат направлена перпендикулярно плоскости раздела вглубь второго полупространства.
Материалы характеризуются набором упругих и инерционных постоянных -модулями упругости Ej и Gj, коэффициентом Пуассона Uj, плотностью pj, скоростью продольных и сдвиговых волн Vj, Vtj G=l 2). V/ J V (2.35) Марки и характеристики материалов приведены в прил. А, табл. 1-5. Найдем условия, при которых ВС может возбуждаться в контактирующих материалах. Для пар, где существует волна Стоунли, необходимо: - определить фазовую скорость Vc, компоненты вектора перемещений {UJx, UJz} и значения вектора потока энергии Ф в полупространстве, - изучить характеристики распространения волн Стоунли при изменяющихся условиях динамического натяга и повышенных температурах, близких к возникающим при механической обработке. Методика нахождения фазовой скорости Vc, перемещений и вектора потока энергии Ф приведены в [187].
Фазовая скорость Vc поверхностной волны Стоунли при жестком контакте полупространств определяется уравнением:
Управление геометрическими и физико-механическими параметрами поверхности
Многообразие методов механической обработки и конструктивных типов ИЛМ представляет технологам широкие возможности в обеспечении требуемых параметров поверхностного слоя обрабатываемых деталей машин, определяющих их эксплуатационные свойства.
В настоящей главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований по установлению взаимосвязи параметров состояния поверхностей деталей машин с конструктивными и режимными параметрами технических левитационных опор ИЛМ.
В качестве управляющих конструктивных и режимных факторов используются Рн - давление нагнетания; х= Рк/Рн - относительное гидравлическое сопротивление; Sj - эффективная площадь опоры; Vk - объем кармана; S - толщина мембраны регулятора; Км, Кр - коэффициент активности регулятора; ho - зазор в опоре, hp - зазор в регуляторе. ИЛМ I класса.
Экспериментальные исследования инструментальных левитационных модулей с неподвижной в корпусе державкой инструмента были проведены для различных видов технологических операций и с различными конструктивными вариантами ИЛМ-І, отличающимися общим устройством, родом физического поля (рабочей смазки) и системой компенсации в технических левитационных опорах.
Для лезвийной обработки на токарных станках моделей ТВ-320, 16К20, РТ706, 1А660 и др. были разработаны [294] конструкции ИЛМ-І с гидростатическими опорами державки (рис. 3.4, 3.5) с компенсаторами ламинарного типа (рис. 3.6), щелевого типа (рис. 3.4), с регуляторами типа «сопло-заслонка» (рис. 3.5, 3.7).
Как показали экспериментальные исследования при обработке партии деталей (0 50 мм, длина 250 мм) из закаленной (HRC 58) инструментальной стали У10А резцами, оснащенными композитом 01, применение гидростатических (х=0,5) ИЛМ-І уменьшает шероховатость обработанной поверхности в среднем на 0,16-0,42 мкм (рис. 3.8). При этом повышается надежность процесса резания и эффективность использования СТМ (отсутствие сколов и выкрашиваний).
При регулировании давления нагнетания Рн в гидростатических левитационных опорах изменяется шероховатость Ra обрабатываемой поверхности (рис. 3.9). Диапазон изменения давления Р„ зависит от гидравлических характеристик системы питания, а величина и степень изменения шероховатости определяется параметрами системы компенсации в ИЛМ и обрабатываемым материалом детали.
На рис. 3.9 приведены результаты исследования для щелевой дроссельной системы компенсации при зазоре в левитационной опоре ho = 30 мкм.
Высотный параметр шероховатости Ra при увеличении давления Рн с 1МПа до ЗМПа уменьшается в 1,7 раза (при обработке сталей) и в 2,3 раза (при обработке дюралюминия и латуни).
За счет изменения режимного фактора (давления нагнетания PJ в ИЛМ-1 можно управлять физико-механическими параметрами поверхностного слоя (рис. 3.10). Так, при обработке стали 45 микротвердость поверхности возросла в 2,4 раза при изменении Рн с 1МПа до ЗМПа, при этом технологические режимы обработки оставались на заданном уровне.
Среди многообразия деталей типа тел вращения большую группу составляют нежесткие детали, изготовляемые из углеродистых и легированных высокопрочных сталей и сплавов: валы, оси, валы-шестерни приборной техники, торсионные валы, валы-роторы электрических микромашин, прецизионный и специальный инструмент (сверла, зенкеры, развертки, метчики, борштанги) и др. Традиционное применение при точении люнетов и других поддерживающих устройств не обеспечивает необходимых динамических и энергетических характеристик процесса и усложняет процесс обработки, что ограничивает их применение в автоматизированных производствах.
Как показал анализ теоретических и экспериментальных исследований особенностей изготовления нежестких валов, наряду с варьированием параметров режимов резания, одним из эффективных путей повышения качества обработки подобных деталей является применение инструментальных левитационных модулей I класса.
Методы экспериментального исследования геометрических и физико-механических параметров состояния поверхностного слоя деталей
Статическую жесткость ИЛМ исследовали для упорных и радиальных подшипников. Исходную нагрузку создавали через динамометр системы Токаря с ценой деления 5Н непосредственно на державку ИЛМ. Перемещение державки резца контролировали рычажно-зубчатыми головками с ценой деления 0,001мм, давление - по манометрам МО-40 класса 0,6. Нагрузку изменяли плавно от 0 до ЮООн, через каждые ЮОн.
При исследовании динамических характеристик определяли: время переходного процесса, величину перерегулирования; отношение амплитуды колебания зазора к амплитуде колебания нагрузки и сдвиг по фазе между ними при различной частоте возмущающего воздействия.
В ходе проведения исследования ИЛМ варьировали различные комбинации параметров настройки % [0,2+0,8], Ъ, [0,1+0,2], коэффициента активности регулятора Кц [5+50], давления нагнетания Рн [0,5+ЗМПа], рабочий зазор ho [20+5 Омкм], частота возмущающего воздействия f [0+40гц].
Кроме того, динамические характеристики ИЛМ оценивали непосредственно в процессе механической обработки [45] по коэффициенту виброустойчивости Кв, характеризующего возможность повышения одного из существенных параметров процесса резания ( глубины резания, ширины обработки, вылета державки инструмента или шпинделя станка и др.) по сравнению с обычными ИМ.
Регистрация результатов измерений осуществлялась при помощи тепзодатчиков 2ПКП-10-100, бесконтактных индуктивных датчиков МАГ-8М11, датчиков давления ДДИ-10 с индуктивным преобразователь ИВП2 вибродатчиков «В» с пьезоэлементами из керамики ЦТС - 19 с широкополосными усилителями (до 100 кГц), датчика частоты вращения типа «черкон», комплекта регестриующеи и записывающей аппаратуры (шлейфовый осциллограф н-115, электронно - лучевые НО-3, СД-17, электронный частотомер 43-33; усилитель ТУ-6М).
В исследованиях применяли специально разработанное устройство (см. раздел 3 рис. 3.97) для управления микропараметрами установки ИЛМ с частотой до 40 гц,состоящее из мультивибратора, электормагнитного гидравлического регулятора ГА - 134А и блока питания. 4.2 Методы экспериментального исследования геометрических и физико-механических параметров состояния поверхностного слоя деталей.
Учитывая вероятностный характер параметров качества при механической обработке деталей, сравнительный анализ результатов однофакторных экспериментов (см. раздел 3), полученных при различных технологических операциях обработки, проводился с помощью аппарата математической статистики.
При статистической оценке использовались методы непараметрической статистики, особенность которой - принятие статистических решений без аппроксимации к известным законам распределения. Непараметрический подход позволяет получить универсально решение статистической задачи обоснования объема исследовательской выборки [135].
Для двух любых порядковых статистик вероятность, сосредоточенная в интервале между ними, является случайной величиной и имеете бета распределение независимо от исходной функции распределения. Если р вероятность того, что доля генеральной совокупности, находящаяся между максимальными У (п) и минимальным У (i) наблюдается не меньше у 100%, то Р {fF(V(n))-F(Y0)}J y}=fi (4.1) Выражение в квадратных скобках имеет бета-распределение. Используя его стандартное обозначение можно (3.1) записать в виде: l-Jy(n-l,2)=P (4.2)
Для определения объема выборки необходимо решить это уравнение относительно п, что позволит оценить информацию у с достоверной вероятностью р.
С учетом замены бета-функции асимптотическим выражением [135] выражение (4.2) может быть записано в виде: Р = l-nfl-(n-l)f (4.3) И тогда окончательно: N =0,5- ( )-1 (4.4)
Зависимость (4.4) позволяет получить объем выборки п при реализации которого с вероятностью [І не менее, чем у 100% , доля генеральной совокупности находится между максимальным и минимальным наблюдениями. Традиционно для технологических задач, связанных с механической обработкой принимают доверительные вероятности Р=0.90-Ю.95.
Решения уравнения (4.4) позволяет рекомендовать объемы выборок для исследования:
При исследованиях инструментальных левитационных модулей, результаты которых приведены ниже, объем выборок параметров поверхности, варьировался в пределах 10- -50.
При моделировании различных технологических способов и ИЛМ для управления качеством поверхности производилась оценка точности и надежности результатов моделирования с использованием доверительных пределов Ер (у) и доверительных интервалов Jp (у) при выбранной доверительной вероятности у? ) где tp - критерий Стьюдента при выбранной доверительной вероятности р и объеме выборки п D(y) - выборочная дисперсия При расчете выборочной дисперсии использовалось выражение: 5 М2 ,)2/1 D(y)= fcL (4.7) п-\
Наряду со статистическими методами оценки качества поверхности, обработанной различными типами ИЛМ, Ниже изложены методы математического планирования эксперимента.
При исследованиях определяли геометрические характеристики качества поверхности: Ra, Rz, R , Sm, Rp, tp(tm), Wa, Wz, Wp, Smw , широко используемые в инженерных расчетах, и физико-математические Нд hH, ±80, hs . Параметры шероховатости (Ra Rp - расстояние от средней линии профиля до линии выступов, Rmax ( tm - относительная опорная длина профиля на уровне средней линии, а также nm - число выступов по средней линии профиля параметры волнистости) исследуемых поверхностей определяли профилографом - профилометром модели 201 с цифровой приставкой, разработанной в Брянском институте транспортного машиностроения [301], а также использованы профилографы -профилометры «Homel- Testor», «Taliserf», «SurtroniR», мод. 252. Все перечисленные параметры шероховатости определяли как средние из пяти измерений каждого образца. Отдельные, наиболее интересные поверхности фотографировали при значительном увеличении с помощью специальной фотонасадки и записывали их профилограммы. Расшифровку Профилограмм выполняли по известной методике, изложенной в работе [83].
