Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. цель и задачи исследования 15
1.1 Моделирование процессов шлифования. Модели абразивного инструмента, кинематического и термо-механического взаимодействия абразивного инструмента и детали 16
1.2 Особенности моделирования процессов шлифования деталей сложной формы, учет упругих свойств инструмента 23
1.3 Моделирование относительного движения инструмента и детали в процессе обработки 27
1.4 Моделирование упругих систем и приводных двигателей технологического оборудования 41
1.5 Проблемы, возникающие при обработке деталей сложной формы на станках с ЧПУ. Программные системы разработки управляющих программ. Задачи моделирования 46
1.6 Современные абразивные ленты 51
1.7 Конструкции прижимных роликов 55
1.8 Особенности реализации процесса шлифования на многокоординатных станках с ЧПУ с системой стабилизации усилий, возникающих при обработке 58
1.9 Выводы по главе. Постановка цели и задач исследования 63
Глава 2. Моделирование процесса формообразования детали сложной формы 67
2.1 Моделирование относительных движений инструмента и заготовки в процессе формообразования поверхности детали с учетом упругих деформаций технологической системы 67
2.2 Задача о поиске оптимального положения узлов технологического оборудования при формообразовании 71
2.3 Расчет деформаций контактного элемента в процессе обработки 79
2.4 Выводы по главе 86
Глава 3. Моделирование зоны контакта, шероховатости и высоты остаточного гребешка 87
3.1 Определение градиента плотности зерен 87
3.2 Построение модели режущего инструмента 92
3.3 Математическая модель силы резания единичного зерна 96
3.4 Моделирование процесса кинематического взаимодействия зерен абразивного инструмента и детали 98
3.5 Моделирование износа и скола зерна 109
3.6 Расчет числа режущих зерен и глубины съема 113
3.7 Расчет шероховатости поверхности 116
3.8 Расчет величины остаточного гребешка 119
3.9 Выводы по главе 124
Глава 4. Программная реализация системы моделирования профильного шлифования 125
4.1 Разработка программной системы моделирования процесса шлифования 125
4.2 Экспериментальное исследование процесса шлифования детали со сложной пространственной поверхностью 134
4.2.1 Эксперименты по определению режущей способности, износа абразивных лент и шероховатости обработанной поверхности 135
4.2.2 Определение глубины съема в зависимости от кривизны обрабатываемой поверхности 140
4.2.3 Эксперименты по определению длины контакта 142
4.2.4 Эксперимент для определения инерции станка 146
4.2.5 Эксперимент по определению траектории одиночного следа зерна при обработке 147
4.2.6 Исследование остаточных напряжений в поверхностном слое обработанных лопаток 152
4.3 Сравнение расчетных и экспериментальных данных 153
4.4 Разработка технических решений направленных на улучшение качества обработки 155
4.5 Внедрение в производство 163
4.6 Выводы по главе 166
Общие выводы 167
Список использованных источников 169
Приложение 180
- Особенности моделирования процессов шлифования деталей сложной формы, учет упругих свойств инструмента
- Задача о поиске оптимального положения узлов технологического оборудования при формообразовании
- Моделирование процесса кинематического взаимодействия зерен абразивного инструмента и детали
- Экспериментальное исследование процесса шлифования детали со сложной пространственной поверхностью
Введение к работе
Актуальность работы. Современное машиностроение характеризуется расширением области применения деталей, имеющих поверхности сложной формы. Характерными представителями таких деталей являются лопатки компрессора, значительно отличающиеся друг от друга по конструктивным признакам, габаритам (длине, хорде и углу закрутки проточной части), а также и материалами из которых они изготовлены. В настоящее время для изготовления крупногабаритных лопаток вентилятора компрессора распространение получила предварительная обработка проточной части фрезерованием на многокоординатных станках с ЧПУ и окончательная обработка методами шлифования или полирования. Однако, внедрение нового оборудования и инструмента всегда связано с выявлением новых проблем и поиском путей их решения. Опыт внедрения процесса ленточного шлифования на ОАО «НПО «Сатурн» позволил их сформулировать. Основными проблемами, возникающими при ленточном шлифовании проточной части крупногабаритных лопаток вентилятора являются повышение точности, снижение волнистости и шероховатости обработанной поверхности.
Повышения точности обработки возможно достигнуть за счет разработки эффективных мероприятий по борьбе с влиянием технологической наследственности, уменьшением скорости съема материала при затуплении лент, снижением влияния инерции подвижных узлов станка на постоянство давления в зоне контакта прижимного ролика и заготовки. Снижение величины остаточного гребешка и шероховатости обработки возможно за счет совершенствования способов ленточного шлифования и конструкций прижимных устройств, уменьшающих влияния факторов, обусловленных строчечной схемой снятия припуска и наличием высокого давления на абразивные зерна на краю зоны контакта прижимного ролика с шлифовальной лентой, формирующего окончательно обработанную поверхность.
Реализация данных разработок позволит существенно повысить эффективность операции ленточного шлифования, поэтому работа, направленная на решение данных задач является актуальной.
Цель работы. Повышение эффективности ленточного шлифования лопаток ГТД на основе программируемого изменения условий обработки.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи.
-
Разработать модель движений многокоординатного лентошлифовального станка с учетом упругих свойств технологической системы.
-
Разработать модель кинематического взаимодействия упругого абразивного инструмента и заготовки сложной формы.
-
Разработать алгоритмы функционирования моделей.
-
Разработать программную реализацию системы и произвести серию контрольных расчетов.
-
Внедрить результаты разработок в производство.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием теории резания, теории упругости. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях на специальном оборудовании с использованием системы автоматизированной обработки экспериментальных данных с применением методов статистической обработки результатов.
На защиту выносятся:
модель движений многокоординатного профилешлифовального станка с учетом упругих свойств технологической системы;
результаты исследования возможностей современных многослойных абразивных лент;
- модель кинематического взаимодействия абразивного инструмента и заготовки сложной формы;
- результаты исследования шероховатости поверхности при схеме косоугольного шлифования лопаток ГТД;
схема шлифования с компенсацией неравномерности съема в результате износа ленты;
- методика определения оптимальных условий ленточного шлифования деталей сложной пространственной формы на станках с ЧПУ.
Научная новизна. Разработана математическая модель ленточного шлифования лопаток ГТД с учетом динамики технологической системы и исходной кривизны поверхностей детали. В том числе:
- разработана модель зоны контакта, учитывающая характеристики абразивных лент, упругие свойства ролика, позволяющая определить интенсивность съема и шероховатость обрабатываемой поверхности;
- разработана модель формообразования, учитывающая динамику подвижных узлов лентошлифовального станка, контактные деформации упругих элементов, влияние схем, режимов обработки, характеристик технологического оборудования и инструмента;
- разработан алгоритм управления съемом металла для минимизации погрешности обрабатываемого профиля.
Практическая ценность. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработана методика оптимизации условий ленточного шлифования, обеспечивающая получение минимальной себестоимости деталей при заданных параметрах точности и шероховатости с учетом возможностей инструмента и станочного оборудования.
Разработан ряд технических решений позволяющих уменьшить неравномерность съема, снизить величину шероховатости и остаточного гребешка, исключить появление рисок на кромках лопаток:
способ косоугольного ленточного шлифования;
применение ролика с уменьшенной жесткостью формообразующей кромки;
устройство с пульсирующей зоной контакта;
схема снятия припуска по наименьшей погрешности обработки, учитывающая износ ленты в процессе работы.
Разработан пакет прикладных программ для расчета выходных характеристик процесса шлифования.
Реализация результатов работы. Основные положения диссертации прошли проверку при внедрении процессов ленточного шлифования лопаток ГТД на предприятии «ОАО «НПО Сатурн», в частности при обработке лопаток ГТД на станке Metabo 6 NC – 1000, внедрены схемы косоугольного шлифования и шлифование с компенсацией неравномерности обработки вследствие износа ленты. Внедрение результатов исследования позволило получить экономический эффект 433 тыс. р. Разработанная программа используется технологическим бюро на предприятии «ОАО «НПО Сатурн» для разработки технологического процесса ленточного шлифования лопаток ГТД.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на Всероссийских научно-технических конференциях «Идеи молодых и новой России» Тула, 2004; «Теплофизика технологических процессов» Рыбинск, 2005; «Проблемы создания перспективных авиационных двигателей» Москва, 2005; «Мехатроника, автоматизация, управление» Уфа, 2006; на Международных научно-технических конференциях «Гагаринские чтения» Москва, 2004 – 2006.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ: в том числе 8 статей, одна из них в центральном издании, 6 тезисов докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников и приложения. Общий объем работы 182 страницы, 119 рисунков, 3 таблицы и 110 наименований научно – технической и патентной литературы.
Особенности моделирования процессов шлифования деталей сложной формы, учет упругих свойств инструмента
Одной из особенностью процесса шлифования деталей сложной пространственной формы является постоянно изменяющаяся площадь контакта. При ленточном шлифовании длина кривой контакта с деталью должна определяться с учетом деформации ленты и контактного прижимного элемента (роли ка, диска, копира). Для прижимающих роликов длина кривой контакта рассчитывается по формуле X. Цувы [90] где Dp- диаметр контактного ролика; Ру/b - нормальная нагрузка на единицу ширины контакта; Ер - модуль упругости материала ролика; ys - увеличение длины кривой контакта за счет деформации абразивной ленты. В работе [49] предлагается схема (рис. 3) и формула (12) для расчета деформаций при ленточном шлифовании. В работе Ф. С. Юнусова, Е. Ю Фельдмана [73] при обработке фасонных поверхностей с переменной кривизной, с целью обеспечения постоянства величины межстрочечных гребешков по всей обработанной поверхности, предлагается подачу на строку Sc делать переменной и выводиться формула для расчета Se где Нг - высота межстрочечных гребешков, мм; t- величина снимаемого слоя, мм; Ру - нормальная составляющая силы резания при шлифовании, Н; d - диаметр контактного ролика, мм; Ed - динамический модуль упругости эластичного покрытия ролика, МПа. Но необходимо отметить что изменение Sc при постоянстве других режимов резания приводит к изменению толщины снимаемого слоя, а это может сказаться на точность изготовления детали.
Учет упругих свойств инструмента был предпринят в работе [73], было получено уравнение для определения площади контакта инструмента и заготовки где рд - радиус кривизны детали, мм; R - радиус контактного ролика, мм. Также получено уравнение для определения глубины снимаемого слоя t, мм при работе эластичной лентой и рассмотрены закономерности врезания инструмента при работе в неустановившемся режиме где Ki - коэффициент, характеризующий влияние скорости детали на съем материала; К- коэффициент, характеризующий влияние совокупности свойств инструмента и металла на процесс диспергирования, мм3 -с-см2/ (мин-м-Н-мм2); v, - скорость ленты, м/с. В работе Б. Н. Хватова [55] предлагается формула расчета шероховатости образуемой на поверхности при обработке эластичным инструментом где d3- зернистость ленты (условное обозначение по ГОСТ 3647-81); Hs- твердость ролика, ед. по Шору; vu - скорость подачи изделия, м/мин. Ф. С. Юнусов и А. М. Дружинин в результате теоретических и экспериментальных исследований [89] установили зависимость шероховатости поверхности Ra, мкм от режимов шлифования и характеристики ленты. При обработке плоской поверхности пера лопатки по схеме с подачей на строку поступательным перемещением детали, Ra может быть определена по формуле где z - число абразивных зерен на 1 мм поверхности ленты; К - коэффициент, зависящий от твердости связки, степени износа ленты, количества ходов выхаживания, материала обрабатываемой детали. Факторы, влияющие на образование шероховатости шлифованной поверхности, отмечены в ряде работ [27,33,34,40,42, 63,76,74,87, 88,80, 85,92]. Влияние СОЖ на шероховатость шлифованной поверхности и на уровень вибраций в технологической системе исследовано в работах [22, 23, 24, 55, 80, 82, 83, 84] . Очевидно, что СОЖ, проявляя смазочное, охлаждающее и демпфирующее действия, способна изменять уровень вибраций в технологической системе, а в связи с этим, интенсивность изнашивания, затупления и засаливания абразивного инструмента
Одним из важнейших элементов строчечного шлифования является толщина сечения среза, снимаемого одним абразивным зерном. Этому вопросу посвящен ряд работ [1, 25, 34, 46, 47, 61, 86, 99]. Толщиной срезаемой стружки определяется нагрузка зерна, а следовательно, стойкость абразивного инструмента и качество обработанной поверхности. В работе [1] получено аналитическое выражение для расчета толщины среза при шлифовании, не зависящее от радиуса округления вершины абразивных зерен где А - среднее расстояние между режущими кромками, мм.
Задача о поиске оптимального положения узлов технологического оборудования при формообразовании
Прижим ролика к обрабатываемой поверхности (рис. 29), происходит при дополнительном поступательном перемещении, осуществляемым под действием веса узла 2, несущего прижимной ролик 4 и лентопротяжный механизм. Сила прижима на лопатку 4, закрепленную в приспособлении на планшайбе 6, плавно изменяется в пределах от 50 до 450 Н при помощи пневмоцилиндра 1, создающего силу, направленную противоположно весу узла прижимного роли ка. Для подавления вибраций во время обработки и исключения ударов, узел прижимного ролика связан также с демпфирующим устройством 1. Перемещение инструмента в процессе обработки складывается из движений задающих приводами станка это перемещение по траектории 2 и перемещением подвижного узла под действием силы тяжести Во В (рис. 30). Подвижный узел соединен с амортизатором и поэтому инерционность узла очень высокая в результате происходит несовпадение траектории, перемещения инструмента 1 и реальной траектории, определяемой профилем лопатки. Контактное давление значительно изменяется в процессе работы, а это в свою очередь приводит к неравномерному съему.
Для моделирования формообразования, узел, несущий прижимной ролик и лентопротяжный механизм, рассматривается как колебательная система, при этом упругий элемент заменяем пружиной жесткостью С. Анализируя упрощенную схему (рис. 31), траектория перемещения узла с массой М, несущего прижимной ролик предлагается описывать уравнением Деформацию ролика с учетом криволинеиности детали и с учетом наклона стойки в плоскости ZOXn ZOYрассчитываем по системе формул гДе vx ли„ vy m» vz шн скорости узла, несущего прижимной ролик и лентопротяжный механизм вдоль оси X, У, Z, рассчитанные по линейной интерполяции и задаваемые станком, м/с; хд, у0, г- действительное перемещение узла, несущего прижимной ролик и лентопротяжный механизм вдоль осей X, У, Z, складываются из координат рассчитанных по линейной интерполяции станком и координат, определяемых движением подвижного узла с учетом динамики, мм; z3ai - координаты заготовки, м; г- время процесса, с. Скорости узлау1ШИ, vy Ш1, v, шн, несущего прижимной ролик и лентопротяжный механизм вдоль осей X, У, Z, можно рассчитать по системе формул Для случая (рис. 30), на основе приведенной модели, проводим моделирование для контактных усилий Р = 100Н (рис. 32 а), Р =500Н (рис. 32 б), другие исходные данные hoefl = 22000 кг/с, О 500 Н/мм, расстояние между опорными точками хоп2 хоя1=0Лм, уап_г -уш_, = 0,ze„_2 -zonJ =0, уд = 6000 мм/мин. Еще один вычислительный эксперимент по определению неравномерно сти давления состоит в следующем. Для случая (рис. 34 а) на основе модели, описывающей перемещения инструмента вдоль строчки определяем распреде ление действительного контактного усилия, настроечное усилие 200 Н, другие исходные данные h = 22000 кг/с, С= 500 Н/мм, расстояние между опорными точками взято меньше чем в предыдущей схеме моделирования Изменение контактного давления в процессе шлифования приводит к изменению снимаемого припуска, возникает погрешность обработки. На основе разработанных моделей проводим моделирование обработки, по предложенным моделям, для получения погрешности при обработке реального профиля лопатки. Исходные данные для моделирования настроечное усилие Р —500 Н, кш - 22000 кг/с, С= 500 Н/мм, число точек /є[і;10], расстояние между опорными точками приведено на схеме (рис. 36 а) , гд = 6000 мм/мин, he = 2 мм;
Моделирование процесса кинематического взаимодействия зерен абразивного инструмента и детали
При данной схеме обработки зерна при подаче в одном и обратном направлении (рис. 55) оставляют на заготовке риски, ориентированные друг относительно друга на угол а, и на одинаковый угол к направлению подачи, длины рисок, приходящиеся на одну строку, одинаковы (рис. 56). Координаты вершинок зерна с учетом разновысотности, для схемы косоугольного шлифования найдем по системе формул При схеме косоугольного шлифовании наблюдается изменение траектории движения зерен от направления смены движения ролика, изменяется кривизна и длина следа оставляемого зерном в заготовке от строчки к строчке (рис. 57). При данной схеме обработки, при подаче в одном и обратном направлении, зерна оставляют на заготовке следы, ориентированные друг относительно друга на угол 2а, и на разные углы к оси детали, длины рисок, приходящиеся на одну строку, разные (рис. 58). Кроме того, скорости движения зерен отличаются, а значит, отличаются и глубины оставляемых рисок от строчки к строчке.
Необходимо также отметить, что при данной схеме обработки уменьшается число зерен, формирующих остаточный гребешок. Это приводит к снижению величины остаточного гребешка. Кроме этого при схеме косоугольного шлифования снижается величина шероховатости Ra, вследствие того, что при развороте ролика окончательную поверхность формирует одна кромка, на кромках зерно больше изношено по сравнению с серединой ленты. Для получения поверхности после обработки, рассматриваем взаимодействие коридора зерен с заготовкой (рис. 59), в начальный момент зерна испытывают большую нагрузку, деформации и снимаемый слой значительны. С течением времени, когда первые зерна сняли основной припуск и сформировали определенный профиль, имеющий кривизну близкую с кривизной на металлическом ободе ролика, глубина среза и нагрузка на зерна снижаются, появляются зерна не участвующие в резании (рис. 60). Траекторию движения зерен (рис. 60) в коридоре с учетом упругости инструмента, формы и шероховатости заготовки определим по системе формул й- коэффициент демпфирования, Н с/м; PN сила, действующая на участок коридора, находящегося в контакте, Н; Ря_, - сила, действующая на единичное зерно, Н; с- жесткость контактного элемента непосредственно под зерном, Н/мм; z0 ,- начальные координаты / - го зерна (расположение в ленте), мкм; гд, - действительные координаты і - го зерна, мкм; 2»и і координаты заготовки в рассматриваемом коридоре, мкм; аа - глубина среза г-го зерна, мкм; Аи(Хг) - величина износа режущего выступа определялась экспериментально (рис. 93) в зависимости от длины пути зерна в контактной площадке, мкм.
Экспериментальное исследование процесса шлифования детали со сложной пространственной поверхностью
Теоретические исследования процесса ленточного шлифования лопаток ГТД позволили установить взаимосвязь между параметрами, характеризующими процесс шлифования и условиями обработки. При разработке аналитической модели принимался ряд допущений, которые в некоторой степени упрощали решение задачи, экспериментальная проверка полученных зависимостей необходима для подтверждения адекватности моделей. Уточнения требует механизм износа абразивного зерна, длина площадки контакта в зависимости от режимов шлифования и кривизны заготовки, а также необходимо установить закономерности изменения глубины съема, шероховатости и величины остаточного гребешка от параметров обработки. Целью экспериментов было получение следующих результатов: - определить величину глубины съема в зависимости от режимов шлифования и кривизны заготовки; - получить зависимости величины остаточного гребешка в зависимости от режимов шлифования; - провести исследования схемы косоугольного шлифования; - получить значения шероховатости обработанной поверхности в зависимости от режимов шлифования и кривизны заготовки. В данной работе при проведении экспериментальных исследований использовались методы математической статистики и регрессионного анализа. Экспериментальные работы проводились на шести координатном лен-тошлифовальном станке Metabo 6NC - 1000, установленном в цехе 35 на ОАО «НПО «Сатурн». В качестве исследуемых материалов использовались титановые сплавы марок: ОТ4, ВТЗ, ВТ6, ВТ8 и др.
Измерение шероховатости обработанной поверхности выполнялось на профилометре мод. 253. Измерения припуска проводили с использованием микрометра. Для измерения износа зерен использовали микроскоп МБС - 10. Кривизну заготовок в расчетных сечениях определяли, используя математическую модель заготовки.
Эксперименты по определению режущей способности, износа абразивных лент и шероховатости обработанной поверхности
Поскольку конечной целью работы является получение зависимостей для назначения режимов обработки, была проведена серия экспериментов по оценке режущей способности абразивных лент различных производителей. Эксперименты проводились на станке Metabo MTS-1000. Испытывались ленты фирм VSM и ЗМ.
Стойкостные испытания лент произведены с целью выявить оптимальные режимы по максимуму съема и максимуму производительности при различных скоростях движения ленты. При необходимости обеспечения наивысшей производительности преимущества имеют ленты с обычным зерном, обозначаемым в маркировке символом «Р». Ленты «Trizact» имеют абразивных слой из зерен «Cubitron», способный при шлифовании раскалываться с образованием вершин с острыми кромками. Ленты «Trizact» обеспечивают меньшую минутную производительность, но имеют более стабильный съем, что благоприятно сказывается на точности обработки.
Характер изменения стойкости в зависимости от скорости резания оказался для всех лент одинаковым. С уменьшением скорости в начальный момент работы ленты происходит снижение минутной производительности шлифования. С ростом объема снятого металла также происходит постепенное снижение производительности. У лент с обычным зерном при высоких скоростях это снижение более заметно. Поскольку зависимость величины съема от объема снятого металла является существенно нелинейной, принято решение использовать для расчетов не регрессионную, а интерполяционную зависимость. Исследование влияния величины прижимающего усилия на величину съема в рабочей области показало, что величина снимаемого слоя от величины прижимающего усилия зависит линейно (рис. 90). Поскольку величина силы прижима прямо пропорциональна давлению в гидроцилиндре разгрузки, в производственных условиях легче пользоваться именно последней величиной. где hc - величина подачи на строку, мм; Rah2 - шероховатость поверхности при шаге на строчку hQ 2мм, мкм. Влияние величины шага строки на шероховатость обработанной поверхности Для выбора зернистости ленты и величины подачи на строку в зависимости от требуемой шероховатости проведены эксперименты (рис. 92). Результаты экспериментов показывают, что параметр шероховатости Ra значительно зависит от зернистости. Увеличение размера зерна в два раза приводит также к двукратному увеличению параметра шероховатости Ra. Увеличение подачи на строку также повышает параметр шероховатости Ra, причем зависимость имеет параболический вид, поэтому неудовлетворительно описывается степенными моделями, Линейная регрессионная модель, построенная по результатам экспериментов (коэффициент корреляции равен 0,97), имеет следующий вид
