Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задач исследования 8
2. Теоретическое представление шероховатости поверхности при выглаживании 33
2.1. Шероховатость поверхности как выходной фактор при обработке 33
2.2. Корреляционное преобразование модели шероховатости поверхности 36
2.3. Определение возможности оценки получаемых параметров качества поверхностного слоя деталей по значениям средней мощности оцифрованных вибросигналов 46
2.4. Выводы по разделу 55
3. Экспериментальное исследование процесса выглаживания 57
3.1. Методика проведения экспериментальных исследований 51
3.2. Выглаживание минералокерамическим инструментом 61
3.2.1. Определение зависимости среднего арифметического отклонения профиля от режимов обработки и параметров исходной шероховатости поверхности 63
3.2.2. Определение зависимости среднего шага неровностей профиля от режимов обработки и параметров исходной шероховатости поверхности 67
Определение зависимости поверхностной микротвердости от режимов обработки и параметров исходной шероховатости поверхности 69
Определение зависимости средней мощности оцифрованных вибросигналов от режимов обработки и параметров исходной шероховатости поверхности 71
Выглаживание алмазным инструментом 76
Определение зависимости среднего арифметического отклонения профиля от режимов обработки и параметров
исходной шероховатости поверхности 77
Определение зависимости среднего шага неровностей профиля от режимов обработки и параметров исходной шероховатости поверхности 80
Определение зависимости поверхностной микротвердости от режимов обработки и параметров исходной шероховатости
поверхности ., 82
Определение зависимости средней мощности оцифрованных ' вибросигналов от режимов обработки и параметров исходной
шероховатости поверхности 84
Изучение возможности оценки получаемых параметров качества поверхности деталей, используя вибродиагностику
приточений 87
Изучение влияния твердости обрабатываемого материала на качество поверхности деталей и мощность вибросигналов 97
Оценка погрешности аппаратуры при записи вибросигналов Ю7
Исследование стойкости минералокерамических и алмазных
выглаживателей 114
Износостойкость поверхностного слоя выглаженных деталей. „. 115
Выводы по разделу 46
4. Разработка концепции системы автоматического обеспечения требуемых параметров качества поверхностного слоя при выглаживании 118
4.1. Выбор оптимальных режимов выглаживания 118
4.2. Настройка инструмента на токарных станках . 125
4.3. Программная реализация системы адаптивного управления процессом выглаживания 129
4.4. Выводы по разделу 133
5. Практическое использование результатов исследований 135
Основные выводы и результаты работы 143
Список использованных источников
- Корреляционное преобразование модели шероховатости поверхности
- Определение зависимости среднего арифметического отклонения профиля от режимов обработки и параметров исходной шероховатости поверхности
- Определение зависимости среднего шага неровностей профиля от режимов обработки и параметров исходной шероховатости поверхности
- Настройка инструмента на токарных станках
Введение к работе
Современные условия машиностроительного производства требуют применения технологических процессов механической обработки, которые бы обеспечивали требуемые параметры качества поверхностного слоя деталей. Как известно, параметры качества поверхностного слоя деталей, обеспечивающие заданные эксплуатационные свойства, как правило, формируются на операциях отделочной обработки, таких как: шлифование, полирование, обработка поверхностным пластическим деформированием (ППД). Многочисленные исследования показали, что одним из наиболее эффективных и экологически чистых методов обработки ППД является процесс выглаживания.
Целью настоящей работы является обеспечение и контроль параметров шероховатости поверхности и микротвердости цилиндрических деталей в процессе выглаживания.
Предварительное изучение проблемы показало целесообразность проведения исследований по определению возможности контроля за протеканием процесса обработки.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Получена теоретическая зависимость, описывающая шероховатость поверхности при выглаживании.
Установлена взаимосвязь режимов выглаживания и параметров исходной шероховатости поверхности с параметрами качества поверхностного слоя деталей (шероховатостью, микротвердостью) и средней мощностью вибросигналов.
Обоснована возможность оценки получаемых параметров качества поверхностного слоя деталей используя корреляционное преобразование вибросигналов для различных видов механической обработки (в частности для точения).
4. Впервые разработана последовательность настройки инструментов на токарных станках, базирующаяся на компьютерном анализе вибросигналов, обеспечивающая гарантированно высокую точность настройки. Практическая ценность диссертации: 1. Разработаны рекомендации по выбору оптимальных режимов выглаживания, обеспечивающих заданные параметры качества поверхностного слоя деталей, с учетом влияния параметров шероховатости детали достигнутых на предшествующей операции.
* 2, Разработана система автоматической настройки инструмента на токарных
станках.
Область использования результатов проведенных исследований: наружные и внутренние поверхности деталей тел вращения диаметром от 20 до ПО мм; обрабатываемые материалы: стали, алюминиевые сплавы, бронза; твердость материалов НВ=13 0...250.
По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ. Ее основные положения и результаты докладывались на: Международной научно — технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» в г. Тюмени, 2000 г.; 3-ем фестивале — конкурсе научно-исследовательского, технического и прикладного творчества молодежи и студентов Курганской области «Молодежь Зауралья - третьему тысячелетию» в г. Кургане, 2000 г.; 4-ой Международной научно — технической конференции «Качество машин» в г. Брянске, 2001 г.; Международной молодежной научной конференции «27 Гагарин-
ские чтения» в г. Москве, 2002 г.; Международной научно - технической кон
ференции «Контактная жесткость. Износостойкость. Технологическое обеспе
чение» в г. Брянске, 2003 г,
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выво
дов и результатов работы, списка использованных источников и приложений.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной
щ работы:
теоретическая функция, описывающая шероховатость поверхности при выглаживании;
результаты исследования влияния режимов обработки на получаемые параметры качества поверхностного слоя деталей (шероховатость и микротвердость) обеспечивающие требуемые эксплуатационные свойства деталей машин;
результаты исследования влияния режимов обработки на значения средней мощности вибросигналов;
результаты исследования возможности оценки получаемых параметров качества поверхностного слоя деталей используя корреляционное преобразование вибросигналов для предшествующей выглаживанию обработке (точение); система автоматического обеспечения «нулевого» натяга.
Корреляционное преобразование модели шероховатости поверхности
Автоматические следящие системы используются для управления положением детали или инструмента, для компенсации упругих деформаций станочной системы или погрешностей кинематических цепей, для управления статическими и динамическими характеристиками станочной системы (например, путём уравновешивания детали при точении). Конечной целью при этом является повышение точности изготовления детали.
Автоматические системы программного регулирования процесса обработки замкнуты по процессу обработки. Закон изменения управляющего воздействия известен заранее и представляет собой в некотором смысле оптимальную зависимость от выходных координат (установленную аналитически или экспериментально). Структура системы содержит простейшее вычислительное устройство, предназначенное для расчёта оптимальных управляющих воздействий в соответствии с текущими значениями выходных параметров. В системах этого класса обеспечивают конкретную стойкость инструмента путём регулирования скорости подачи (например, для токарных, фрезерных станков); постоянную скорость резания путём регулирования скорости вращения шпинделя (например, при торцовом, фасонном точении); повышение точности нежёстких деталей путём программного регулирования силы резания (например, в продольном сечении при токарной обработке); повышение точности обработки путём регулирования статических и динамических характеристик станочной системы (например, на токарных станках).
В Рыбинской авиационной технологической академии под руководством Безъязычного В.Ф. разработана адаптивная система, базирующаяся на косвенном контроле параметров качества обрабатываемой поверхности через силу и температуру резания. В Германии под руководством Салье X. разработана прямая система адаптивного управления качеством обрабатываемой детали при шлифовании. В Брянском государственном техническом университете разработана САУ параметром шероховатости Ra при точении наружных поверхностей вращения, базирующаяся на описанной выше системе АТС-1.
Классические методы анализа и синтеза систем адаптивного управления используют линейные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами, что равносильно утверждению об их линейности. В то время как, реальные САУ содержат существенные нелинейности, как в объекте управления, так и в управляющих системах. Наличие нелинейностей, с одной стороны, существенно ухудшает качество реальной системы по сравнению с расчетами, основанными на использовании линейных математических моделей, но с другой стороны только нелинейные САУ позволяют реализовать оптимальные, экстремальные и другие более эффективные законы управления. Поэтому поиск критериев, по которым можно судить о состоянии ТС, получаемом качестве поверхности для того, чтобы на основании их управлять качеством поверхности является актуальной задачей.
На основании вышеизложенного сформулированы следующие задачи работы: 1. Изучить схему образования реального профиля шероховатости поверхности при выглаживании и предложить теоретическую функцию, описывающую шероховатость поверхности. 2. Обосновать возможность оценки получаемых параметров качества поверхностного слоя деталей при помощи вибродиагностики процесса выглаживания. 3. Выявить взаимосвязь режимов выглаживания с параметрами шероховатости и микротвердостью поверхности при обработке инструментами из минера-локерамики и алмазов. 4. Исследовать взаимосвязь вибросигналов и режимов выглаживания. 5. Разработать систему автоматического обеспечения «нулевого» натяга.
Если рассматривать в целом обрабатывающую систему как стохастическую, линеарную в достаточно малых промежутках времени, можно, применяя кибернетические методы исследования процессов, добиться высокой адекватности моделей при идентификации процессов, учитывая всю совокупность действующих в обрабатывающих системах факторов. Процессы отделочной обработки отличаются особенно большим числом стохастических факторов, которые необходимо учитывать для достижения требований к поверхностному слою, например к параметрам шероховатости, задаваемых чертежом и техническими условиями эксплуатации того или иного изделия.
Моделирование профиля задаваемой чертежом поверхности необходимо для решения задач управления процессом финишной обработки, особенно в условиях автоматизированного производства [79].
Для обеспечения надежной непрерывной работы технологической системы, необходимо решить следующие задачи: идентификация, т.е. необходимо представить процесс в понятном описании; оптимизация, т.е. построение модели процесса, описывающей процесс достаточно полно и достоверно; организация обратных связей, т.е. контроль и управление процессом.
Определение зависимости среднего арифметического отклонения профиля от режимов обработки и параметров исходной шероховатости поверхности
Для реализации много факторной регрессионной модели Ra, Sm, Hu=f(h3, s, n, Каи, Sum) процесса выглаживания отражающей количественные связи между натягом (пз), подачей (s), частотой вращения шпинделя (п), исходными параметрами качества поверхностного слоя Ran (среднее арифметическое отклонения профиля, исходное), Srrm (средний шаг неровностей профиля, исходный) и параметрами качества поверхностного слоя (Ra, Sm, Нц), был спланирован и поставлен эксперимент, учитывающий результаты предварительных экспериментов [17, 22, 89-93]. Частота вращения шпинделя была выбрана в качестве фактора еще и по следующим соображениям: изменение линейной скорости в пределах от 16 до 200 м/мин, осуществляемое при постоянной частоте вращения шпинделя изменением диаметра не оказывает влияния на качество выглаженной поверхности [21]; увеличение частоты вращения шпинделя выше 630 мин"1 ведет к резкому увеличению Ra, что обуславливается биением шпинделя станка и биением обрабатываемой детали [18, 22]. Известно также, что при выглаживании наблюдаются вынужденные колебания и автоколебания [21]. Вынужденные колебания вызываются такими причинами, как биение шпинделя станка, биение обрабатываемой детали и т.д. Автоколебания при выглаживании обусловлены явлениями, присущими самому процессу выглаживания. Как следствие на обрабатываемой поверхности может появляться продольная и поперечная волнистость из-за колебаний в ТС, что также учитывалось при выборе уровней факторов.
В общем случае модель может быть представлена в виде: у х х .хД (3.2) где у - функция отклика; хь х2...хп - факторы, от которых зависит отклик и которыми можно варьировать при постановке эксперимента.
В качестве функции отклика приняты значения Ra, Sm и Нц. Наиболее распространенным описанием функции отклика является представление ее полиномом. На первом этапе выдвигается гипотеза о линейности модели, т.е. y = b0+vXj, (3.3) где к — число контролируемых факторов.
Реализуется эксперимент, необходимый для определения ее параметров. Проверяется адекватность модели. Если линейная модель неадекватна, то выдвигается гипотеза о значимом влиянии взаимодействия факторов. y = b0+ibi.xi+tbjj-xi-xi (3.4)
Вычисляются параметры данной модели, и производится проверка ее адекватности. Если модель типа (3.4) неадекватна, то выполненные ранее опыты дополняют новой серией, позволяющей вычислять коэффициенты by квадратичной модели (полинома второй степени): у-ьв + -х{+ьгх,. + ьв.х; (35)
С целью облегчения обработки результатов эксперимента факторы нормализуют. Для определения параметров линейной модели достаточно в опыте каждый фактор фиксировать на одном из двух уровней: верхнем и нижнем. Верхний уровень нормализированного фактора обозначают (+), а нижний (-).
На первом этапе исследования была реализована полуреплика 25"1, методика реализации изложена в [94-100]. Интервалы варьирования принимались, исходя из реальных пределов колебания значений факторов, определенных в результате предварительных поисковых экспериментов.
Факторы, уровни и интервалы варьирования факторов приведены в таблице 3.2. Матрица плана эксперимента и результаты измерений представлены в таблице 3.3.
Для проверки адекватности уравнения регрессии и определения диспер-сии коэффициентов необходимо знать дисперсии s {у} воспроизводимости экс-перимента. Дисперсию s {у} определяли по шести параллельным опытам в центре плана, т.е. по результатам опытов, выполненных при нахождении факторов на основных уровнях (таблица 3.4). (у - у )2 s2{y}=-! =0,00011, (3.9) п0-1 где п0 -число параллельных опытов в центре плана; у - значение функции отклика в и - опыте; у - среднее арифметическое значение функции отклика в п0 опытах; и - номер параллельного опыта в центре плана. Средняя квадратичная ошибка в определении коэффициентов уравнения регрессии для у оказалась следующей: S(bl}=+ =+ Ii.0 0026 (ЗЛО) Доверительный интервал для коэффициентов уравнения регрессии определяли по формуле: Abi=±t-S{bi}, (3.11) где t — табличное значение критерия Стьюдента при 5% - ном уровне значимости и числе степеней свободы f=no-I (n0=6), f=5; по таблице 14 [93]: t=2,57. ДЬі=±2,57-0,0026= ±0,0067. В связи с тем, что коэффициенты b5j b]2, \ 2А, Ьз5, по абсолютной величине меньше доверительного интервала, их можно признать статистически незначимыми и исключить из уравнения регрессии.
Определение зависимости среднего шага неровностей профиля от режимов обработки и параметров исходной шероховатости поверхности
Дисперсию s {у} определяли по шести параллельным опытам в центре плана, т.е. по результатам опытов, выполненных при нахождении факторов на основных уровнях (таблица 3.13), s {у}=136,7.
Средняя квадратичная ошибка в определении коэффициентов уравнения регрессии для у оказалась следующей: S{bi}=f Z=2.92 Доверительный интервал для коэффициентов уравнения регрессии Abj=±2,57 2,92=±7,51.
В связи с тем, что коэффициенты b5, t i5, D23, Ьз4, по абсолютной величине меньше доверительного интервала, их можно признать статистически незначимыми и исключить из уравнения регрессии.
Разность Ьо- у =0,83 меньше ошибки опыта s{y}=ll,7, следовательно, коэффициенты при квадратичных членах значительно не отличаются от нуля, поэтому исследуемая зависимость с достаточной точностью может быть аппроксимирована полиномом первой степени и не требуется переходить к квадратичной модели.
Для проверки адекватности уравнения регрессии вычисляем дисперсию S ад адекватности: S ад= 122,5.
Адекватность уравнения регрессии проверяем по F-критерию. Находим расчетное значение F-критерия: " s; ив,? Табличное значение Fx-критерия при 5%-ном уровне значимости равно 4,9, т.к. Fp FT, то модель адекватна. Уравнение (3.4) с учетом отношения (3.13) можно представить следующим выражением: Hu =3601+77,4-h3 - 3910S - 2,04 n - 1193 RaH - 41-SmH - 0,019-lvn 1,75-]ь-Наи + 10185-S-RaH + lOO-S-Smn + 0,032 n-Smn + 16,4-RairSniH 626-h3-S (3.23)
Определение зависимости средней мощности оцифрованных вибросигналов от режимов обработки и параметров исходной шероховатости поверхности
Для каждого опыта (таблица 3.3) был записан вибросигнал в файл при помощи разработанной автором программы.
Корреляционное преобразование вибросигналов для опытов №6 и №1, таблица ЗЛО, представлено на рисунках 3.6 и 3.7. Анализ корреляционных преобразований для всех опытов показывает, что в общем случае аппроксимирующая формула соответствует формуле 3.19. Сведем значения К(0) для всех опытов в таблицу 3.14 (по аналогии с таблицей ЗЛО). Доверительный интервал для коэффициентов уравнения регрессии ДЬ;=±2,57-253=±650.
Разность Ь0- у =85 меньше ошибки опыта s{y}=1012, следовательно, коэффициенты при квадратичных членах значительно не отличаются от нуля, поэтому исследуемая зависимость с достаточной точностью может быть аппроксимирована полиномом первой степени и не требуется переходить к квадратичной модели.
Для проверки адекватности уравнения регрессии вычисляем дисперсию S ад адекватности: S -159546.
Адекватность уравнения регрессии проверяем по F-критерию. Находим расчетное значение F-критерия: Уравнение (3.4) с учетом отношения (3.13) можно представить следующим выражением: К(0)= 4073750 - 14253-h, - 28070565-S - 6438-n - 1599980-RaH - 52699-Smn + 25 lvn + 1707 п3-1 аи + 155- h3-SniH + 33308-S-n + 10282963-S-RaH + 141800S Smu + 904-RaH-n + 51,4n-SniH + 16678-RaH-SniH + 54711-h,-S (3.24)
Как было показано в разделах 3.2 и 3.3 при помощи значений корреляционных преобразований оцифрованных вибросигналов при т=0 можно по ним судить о получаемых в процессе обработки параметрах качества поверхностного слоя при выглаживании. Данный метод оценки получаемых параметров качества универсален и может использоваться для различных видов механической обработки, скажем для точения.
Для иллюстрации этого положения точили при различных частотах вращения шпинделя сталь 45 резцом с многогранными неперетачиваемыми пластинами (Т15К6) с записью вибросигналов в файл. Анализ вибросигналов показал, что они стационарны и эргодичны. Результаты корреляционного преобразования оцифрованных вибросигналов представлены в таблицах 3.16-3.17.
Анализ проведенный при помощи математического пакета STATGRAPHICS Plus 5.0 показывает, что при сходимости 99,5% зависимость средней мощности оцифрованных вибросигналов от частоты вращения шпинделя для указанных выше условий может быть описана формулой:
Анализ проведенный при помощи математического пакета STATGRAPHICS Plus 5.0 показывает, что при сходимости 88,8 % зависимость корреляционного преобразования сигнала при т=0 от подачи для указанных выше условий может быть описана формулой:
Настройка инструмента на токарных станках
В исследованиях проведенных в работах [18, 58] в спектрах вибросигналов постоянно присутствуют вибрации обусловленные ТС, что связано с используемыми в этих работах измерительными стендами и принципом записи вибросигналов. Таким образом, еще до начала процесса обработки при записи вибросигналов будет явно виден «фон» этого станка. Понятно, что это обуславливает необходимость поиска передаточной функции между конкретной моделью станка и параметрами вибросигналов, что само по себе неэффективно и трудоемко. Поэтому и необходимо избавиться от «фона» станка.
При использовании предлагаемой в работе схеме записи вибросигналов, когда вибродатчик располагается в направлении силы Pz выглаживания па державке инструмента (центр датчика находится на расстоянии 20 мм от ее начала) и запись вибросигналов происходит при помощи откалиброванной звуковой платы компьютера типа IBM PC XT/AT через линейный вход, не наблюдается наложение «фона» станка на параметры вибросигнала в процессе обработки (рисунок 3.29).
Как видно из рисунка 3.29 уровень шума не превышает -87 дБ, что говорит о том, что это «фонит» звуковая плата, для которой этот «фон» является вполне допустимым, т.к. в ее паспорте указан уровень шума -85 дБ.
Особенно важным является то, как устанавливается вибродатчик. Установка вибродатчика с помощью специального клея является наиболее надежной.
Основными преимуществами такой установки являются возможность правильно измерять вибрации низкого уровня и высокочастотные вибрации, т.к. при такой установке собственная (резонансная) частота самого вибродатчика расположена выше измеряемого частотного диапазона. Однако этот метод не подходит для периодического контроля вибрации из-за длительности и трудоемкости в установке вибродатчика. Другой метод крепления - на специальный магнит (он используется в работе) более удобен для периодических проверок. Хотя при этом методе собственная частота вибродатчика смещается в более низкочастотную область, тем самым, отсекая часть высокочастотной энергии вибрации, однако исследования, проведенные в работах [18, 58] показывают, что как раз в высокочастотной области не происходят сколь либо значительные изменения энергии вибраций в ответ на изменения режимов обработки, что также видно из рисунков 2.12-2.17. К тому же, как это было показано, достаточно верхнего порога в 22 кГц. Третий метод установки вибродатчика с использованием ручного щупа дает наименьшее значение измеренной энергии импульсов по сравнению с предыдущими, т.к. частотный диапазон измерения сужается. Дополнительное ослабление может внести также и ослабление самого щупа, поэтому перед каждым измерением следует проверять надежность его крепления к вибродатчику. Как и в случае с магнитом, для повторяемости результатов при периодических измерениях вибродатчик следует устанавливать в одни и те же точки.
При записи вибросигналов неизбежно присутствуют помеховые составляющие разного рода, источниками которых могут быть электрические помехи, вызванные наводками и паразитными обратными связями. Их необходимо устранять путем заземления всей аппаратуры и использования экранированных кабелей.
Одним из важнейших критериев оценки влияния помех на возможность анализа вибросигналов является соотношение сигнал/шум. Известно [18], что при отношении сигнал/шум 50...60 дБ, помехи не оказывают неблагоприятного влияния на параметры записываемых вибросигналов. Однако для подавляющего большинства плат уровень шума вообще не нормируется. Например, звуковая плата, в паспорте которой указан уровень -80 дБ, в ряде случаев может шуметь на целых -60..-65 дБ, что даже может превышать шум "безымянной" платы в тех же условиях. Разумеется, что все эти параметры очень сильно зависят от "окружения" звуковой платы - блока питания, системной платы, стабилизатора процессора (импульсные меньше греются, но дают больше помех), соседних плат и многого другого; однако производитель, не указывая условий, в которых производились замеры параметров, ставит исследователя в тупик, вынуждая его подбирать окружение даже не научными методами, а просто последовательной заменой устройств.
