Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ШИРОКОВ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШЛИФОВАНИЯ ЗАГОТОВОК НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ
Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Ульяновск - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет.
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Осипов Александр Петрович
Официальные оппоненты:
Захаров Олег Владимирович, доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю. А., профессор кафедры Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в машино- и приборостроении Белов Михаил Александрович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Ульяновский государственный технический университет, доцент кафедры Технология машиностроения
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет)
Защита состоится 25 мая 2012 г. в 11.00 на заседании диссертационного совета ДМ 212.277.03 при ФГБОУ ВПО Ульяновский государственный технический университет по адресу: г. Ульяновск, ул. Энгельса, 3 (почтовый адрес:
432027, ГСП, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Ульяновский государственный технический университет Автореферат разослан л_24_ _апреля_ 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Н.И. Веткасов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Эксплуатационные свойства деталей, определяющие надежность машин, такие как прочность, износостойкость, коррозионная стойкость, контактная жесткость, зависят от точности изготовления деталей машин и состояния их поверхностных слоёв.
Одной из основных характеристик качества поверхности является шероховатость. В большинстве случаев требования к ней устанавливают, используя определённое соотношение между значениями параметров шероховатости и точностью размеров соответствующих элементов детали. В ряде случаев к шероховатости предъявляют весьма высокие требования. Это относится, например, к поверхностям, работающим в условиях трения и изнашивания.
Одним из методов повышения эксплуатационных показателей деталей машин является нанесение на поверхности, работающие в условиях трения, износостойких покрытий из различных материалов, в частности, хрома. Перед нанесением износостойких покрытий такие поверхности обычно подвергают шлифованию.
При этом часто недопустимо появление дефектов в виде абразивных царапин (ГОСТ 23505Ц79), которые снижают адгезионные свойства шлифованной поверхности и могут привести к отслаиванию покрытия в области царапины. Такие дефекты на практике устраняют на последующих операциях доводки и полирования, что значительно увеличивает трудоёмкость и себестоимость изготовления деталей, а также может сопровождаться потерей точности размеров и формы поверхностей. В то же время при рациональном выборе условий шлифования можно минимизировать или полностью исключить дефекты в виде абразивных царапин и существенно сократить трудоёмкость доводочных операций. В производственных условиях данную задачу решают в основном эмпирическим путём.
Следует отметить, что общие для различных отраслей машиностроения технологические рекомендации по выбору характеристики круга и режимов шлифования, которые содержатся в справочной литературе, касаются обеспечения лишь требуемой шероховатости по параметрам Ra и Rz. Следуя этим рекомендациям, не всегда удаётся обеспечить отсутствие дефектов в виде абразивных царапин. То же самое можно сказать о существующих математических моделях процесса формирования шероховатости шлифованной поверхности, в частности имитационных.
Проблема обеспечения требуемых параметров шероховатости шлифованной поверхности с одновременным отсутствием дефектов в виде абразивных царапин до сих пор не решена и по-прежнему актуальна.
Представленные в диссертационной работе исследования проводили при финансовой поддержке в форме гранта ГОУ ВПО СамГТУ для аспирантов (2008 г.), а также при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках тематического плана ФГБОУ ВПО СамГТУ, номер государственной регистрации НИР №01201156078 от 05.04.11 Исследование процесса контактного взаимодействия поверхностей нерегулярного профиля.
Цель работы. Технологическое обеспечение требуемой шероховатости поверхностей при шлифовании заготовок на основе имитационного моделирования процесса формирования поперечного микропрофиля детали.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) провести анализ состояния исследований формирования шероховатости поверхностей заготовок при шлифовании;
2) разработать имитационную модель формирования шероховатости поверхности с учётом разновысотности вершин зёрен на рабочей поверхности шлифовального круга;
3) провести теоретические исследования формирования микропрофиля при микрорезании единичным абразивным зерном;
4) провести экспериментальные исследования процесса формирования микропрофиля единичной абразивной царапины и микропрофиля всей шлифованной поверхности;
5) провести опытно-промышленную проверку и дать оценку экономической эффективности внедрения разработанного комплекса математических моделей на примере шлифования заготовок конкретной детали;
6) дать научно-обоснованные рекомендации по достижению требуемой шероховатости шлифованной поверхности с отсутствием дефектов в виде абразивных царапин.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является процесс контактного взаимодействия шлифовального круга с заготовкой, предметом - процесс формирования шероховатости шлифованной поверхности.
Методы исследований. Теоретические исследования базируются на теории резания, теории вероятностей и математической статистике. В ходе теоретических и теоретико-экспериментальных исследований процесса формирования шероховатости шлифованной поверхности применяли аналитическое и имитационное моделирование. Теоретико-экспериментальные исследования проводили в системе MathCAD. Для экспериментального исследования топографии рабочих поверхностей шлифовальных кругов и микропрофилей поверхностей деталей применяли метод профилографирования.
Научная новизна. 1. Разработана имитационная модель формирования шероховатости поверхности с учётом разновысотности вершин зёрен на рабочей поверхности круга, его колебаний и режимов обработки при различных видах шлифования.
2. Разработана математическая модель формирования единичной абразивной царапины, которая базируется на объёмной модели рабочей части абразивного зерна в виде параболоида с учётом износа и пластических свойств обрабатываемого материала.
3. На основе математических моделей разработаны алгоритмы формирования микропрофиля шлифованной поверхности.
Практическая ценность. 1. На основе предложенных математических моделей разработано программное обеспечение для проектирования шлифовальных операций с возможностью варьирования характеристикой круга и режимами обработки.
2. Разработано специальное приспособление для получения топографии рабочей поверхности шлифовального круга с помощью метода параллельных сечений.
3. Усовершенствован технологический процесс обработки детали Шток в условиях ОАО Тяжмаш (г. Сызрань) в части рациональной последовательности технологических операций, выбора рациональных характеристик шлифовального круга и режимов шлифования, что позволило обеспечить требуемое конструкторской документацией качество рабочей поверхности детали (шероховатость, отсутствие абразивных царапин), а также повысить производительность обработки и снизить себестоимость изготовления детали.
4. Даны научно-обоснованные рекомендации по выбору характеристик шлифовального круга и режимов обработки в зависимости от требуемого значения параметра Ra с учётом отсутствия дефектов в виде абразивных царапин на поверхности детали.
Реализация результатов. Результаты диссертационной работы использованы для определения условий шлифования, обеспечивающих требуемую шероховатость шлифованной поверхности конкретной детали на ОАО Тяжмаш.
Результаты работы также внедрены в г. Сызрани в учебный процесс подготовки инженеров по специальности 151001 Технология машиностроения и бакалавров по направлению 150900 Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств в рамках дисциплин Режущий инструмент, Основы технологии машиностроения, Технология машиностроения.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: III и IV городской молодёжной научной конференции Научный потенциал города - XXI веку (г. Сызрань, 2005, 20гг.); XXXII Самарской областной студенческой научной конференции (г. Самара, 2006 г.); X Международной научно-практической конференции Современные технологии в машиностроении (г. Пенза, 2006 г.); II Международной научнотехнической конференции Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении (Резниковские чтения) (г. Тольятти, 2008 г.);
7-й Международной конференции Авиация и космонавтика - 2008 (г. Москва, 2008 г.); Всероссийской научно-технической конференции с элементами научной школы для молодёжи Проведение научных исследований в области машиностроения (г. Тольятти, 2009 г.); II, III и IV Всероссийской конференции молодых учёных и специалистов Будущее машиностроения России (г. Москва, 2009, 2010, 2011 гг.); Международной научно-технической конференции Актуальные проблемы трибологии (г. Самара, 2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ, в том числе 4 в журналах из перечня ВАК РФ, и 2 - из перечня ВАК Украины.
В рамках работы автор защищает:
1. Имитационную модель процесса формирования шероховатости поверхности заготовки при различных видах шлифования.
2. Математическую модель формирования единичной абразивной царапины.
3. Алгоритмы и программное обеспечение выбора научно-обоснованных характеристик шлифовального круга и режимов шлифования.
4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния геометрии рабочей части зерна и режимов обработки на высоту единичной царапины и шероховатость шлифованной поверхности.
5. Результаты экспериментальных исследований влияния характеристики шлифовального круга и условий правки на состояние его рабочей поверхности.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 103 источников.
Объем диссертации - 171 страница, включая 51 рисунок, 12 таблиц и 20 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит обоснование актуальности темы диссертации, ее краткую характеристику, цель и задачи исследований, научную новизну, практическую ценность и основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена анализу математических моделей рабочей части (РЧ) абразивного зерна (АЗ), моделей рабочей поверхности (РП) шлифовального круга (ШК), моделей формирования микропрофиля единичной абразивной царапины, их связи друг с другом и с известными моделями процесса формирования шероховатости шлифованной поверхности.
Многообразие подходов к технологическому обеспечению шероховатости шлифованной поверхности связано с тем, что в основу моделирования процесса её образования авторами были положены различные представления о рабочей поверхности абразивного инструмента. Наиболее корректной моделью РП является представление её в виде совокупности объёмных моделей рабочих частей зёрен.
Распределение вершин рабочих частей зёрен по глубине РП рационально описать законом -распределения, поскольку он является универсальным. В то же время, согласно работам А.К. Байкалова, распределение самих зёрен должно быть равномерным. Моделей РП, отвечающих указанным требованиям, в рассмотренной литературе обнаружено не было. При этом, параметры -распределения, полученные Л.Н. Филимоновым не учитывают режим правки.
Установлено (Л.Н. Филимоновым, Н.В. Носовым и др.), что на шероховатость шлифованной поверхности большое влияние оказывают пластические свойства материала, которые обуславливают образование навалов при взаимодействии абразивного зерна с обрабатываемой поверхностью заготовки. Однако использование соответствующих моделей затрудняется наличием ряда эмпирических параметров.
Такие параметры в той или иной степени содержат и другие теоретические и теоретико-экспериментальные модели формирования шероховатости (Г.Б. Лурье, Е.Н. Маслов, С.Г. Бишутин и др.), в частности толщину среза az. Теоретически величину az большинство исследователей определяют в слое материала, который будет диспергирован, а не в слое материала, где формируется реальная шероховатость обработанной поверхности. Более корректно данный параметр можно определить с помощью компьютерных экспериментов при реализации имитационной модели. При этом сама имитационная модель может быть использована при проектировании технологического процесса для прогнозирования параметров шероховатости обработанных поверхностей. При анализе априорной информации подходящих имитационных моделей обнаружено не было.
Вторая глава посвящена разработке имитационной модели процесса формирования шероховатости при различных видах шлифования.
В рамках разрабатываемой модели были приняты следующие допущения:
1) рабочая поверхность круга представляет собой случайную поверхность; 2) вершина РЧ и центр описанной сферы АЗ лежат на одной прямой, перпендикулярной оси ШК; 3) исходный микропрофиль заготовки зависит от припуска на шлифование: если припуск значительно превышает параметр Rmax микропрофиля заготовки (t Rmax), его можно принять прямолинейным.
Моделирование процесса формообразования поперечного микропрофиля поверхности детали заключалось в реализации метода последовательного наложения профилей рабочих частей отдельных зёрен ШК на исходный микропрофиль заготовки в некоторой плоскости (рис. 1, 2), поскольку при принятых допущениях профиль единичной царапины тождественен профилю РЧ зерна.
Рис. 1. Схема процесса формирования поперечного микропрофиля шлифованной поверхности детали в плоскости :
1 - микропрофиль детали; 2 - микропрофиль заготовки до последнего рабочего хода ШК;
3 - рабочая часть АЗ Микропрофиль поверхности заготовки после прохода j-го АЗ через плос кость описывали кусочной функцией yпр j z :
z , yрч j z yпр j1z Pz j Pz;
j yрч yпр j z = (1) z , yрч j z yпр j1z ;
yпр j1 j = 1, 2, Е, N, где yпр j 1z - микропрофиль поверхности заготовки до прохода РЧ j-го зерна че рез плоскость ; yрч j z - контур РЧ j-го зерна; N - число зёрен, прошедших через плоскость ; P - сила резания, действующая на РЧ j-го зерна, Н; [Pz] - z j допускаемое прочностью зерна и связки значение силы, Н.
Величина N может превышать число зёрен в рабочем слое ШК NРС. Одно и то же зерно может пройти через плоскость несколько раз, так как окружная скорость ШК в несколько десятков раз больше скорости заготовки (Vкр/Vз 60Е100).
Уравнение контура РЧ зерна в плоскости в случае аппроксимации параболоидом с учётом износа будет иметь следующий вид:
y hизн, z b hизн b hизн z ;z ;
j j j j j j yрч j z = (2) z z j y , z ;z b hизн jz b hизн j;, j j j b где Cj(z ; y ) - вершина РЧ j-го зерна в плоскости в случае отсутствия площадки j j износа, т. е. при hизн j = 0 (рис. 1); и b - геометрические параметры РЧ зерна;
hизн j - линейный износ РЧ j-го зерна, мм.
Такое представление процесса формирования шероховатости потребовало разработки кинематических моделей различных видов шлифования.
Кинематическая модель процесса плоского шлифования. При плоском шлифовании использовали прямоугольную систему координат OXYZ (рис. 2, а), связанную с заготовкой. При этом кинематические уравнения вершины РЧ i-го зерна (точки Mi(xi; yi; zi) на рис. 2, а) с учётом колебаний ШК принимали следующий вид xi ri cosнi Vкр / R Vз ;
кр (3) y ri sinнi Vкр / Rкр y;
i zi zнi ;
y() = Asin(к + 0), где Vкр - окружная скорость ШК, мм/с; Vз - скорость заготовки, мм/с; Rкр - радиус ШК, мм; ri - радиус-вектор точки Mi, мм; нi - угол между плоскостью XOZ и радиус-вектором ri в момент начала формирования микропрофиля детали в плоскости , рад; zнi - аппликата точки Mi(xi; yi; zi) в этот же момент времени, мм; A, к, 0 - амплитуда (мм), частота (рад/с) и начальная фаза колебаний ШК (рад) соответственно.
Кинематическая модель процесса круглого наружного шлифования.
При круглом шлифовании использовали цилиндрическую систему координат O1Z (рис. 2, б), связанную с заготовкой. При этом кинематические уравнения вершины i-го АЗ (точки Mi(i; i; zi) на рис. 2, б) с учётом колебаний ШК относительно заготовки принимали следующий вид i ri2 2 ri Rз Rкр tcosнi Vкр / Rкр Rз Rкр t2 ;
ri sinнi Vкр / Rкр Vз ; (4) arctg i Rз R t ri cosнi Vкр / R Rз кр кр z zнi Sм ;
i () = Asin(к + 0), где Rкр и Rз - радиус ШК и обрабатываемой поверхности соответственно, мм; Sм - скорость продольной подача ШК, мм/с; нi - угол между плоскостью, проходящей через оси ШК и заготовки, и радиус-вектором ri в момент начала формирования микропрофиля детали в плоскости на участке PQ, рад.
а) б) _ Рис. 2. Положение ШК и заготовки в момент начала формирования микропрофиля детали в плоскости на рассматриваемом участке PQ:
а - плоское шлифование; б - круглое наружное шлифование Двойные знаки, стоящие перед окружной скоростью ШК Vкр, учитывают относительное движение ШК и заготовки: верхний знак соответствует встречному шлифованию, нижний - попутному. Остальные двойные знаки учитывают вид шлифования: верхний знак соответствует наружному шлифованию, нижний - внутреннему.
Далее определяли моменты времени и координаты нахождения вершин зёрен в плоскости в системах OXYZ (плоское шлифование), O1Z (круглое шлифование) и OZY. Затем определяли порядок их прохождения через указанную плоскость, т.е. устанавливали соответствие между точками C1, Е, Cj, Е, CN (рис.
1) и точками M1, Е, Mi, Е, M (рис. 2). Если во время формирования микропроNРС филя в плоскости ШК имеет некоторый радиальный износ u, то линейный износ РЧ i-го зерна можно определить по формулам:
i кр кр r R, ri R ;
h = 0, ri Rкр;
изнi Rкр = Rкрн - u, где Rкрн - радиус ШК после правки.
Моделирование рабочего слоя ШК. При моделировании процесса формирования микропрофиля поверхности детали необходимо знать расположение вершин зёрен на рабочей поверхности ШК. В работе принято случайное расположение зёрен в рабочем слое, ограниченном поверхностью выступов и поверхностью впадин РП круга. Для решения систем уравнений (3) и (4) необходимо знать величины ri, нi и zнi, которые в этих системах являются случайными. Эти величины должны удовлетворять следующим требованиям:
ri[Rкрн - hРС; Rкрн];
нi [0; 2);
z [0; Hкр], нi где hРС - глубина рабочего слоя ШК, мм; Hкр - высота ШК, мм. Приняли равномерный закон распределения величин нi и z в силу равномерности распределенi ния зёрен в теле ШК. В качестве закона распределения величины ri приняли закон -распределения. Параметры и данного закона, а также глубина рабочего слоя hРС были определены в результате собственных экспериментальных исследований топограмм кругов различных характеристик, а также представлены в работах Л.Н. Филимонова.
а) б) в) г) Рис. 3. Характеристики РП круга 1 1251632 25А 25-Н СМ2 7 К (WA F60 L 7 V):
а - топограмма РП круга после грубой правки; б - плотность распределения вершин неровностей РП круга; в - количество вершин неровностей на 1 мм2 РП на различной глубине;
г - кривые относительных опорных площадей; новый ШК; тонкая правка (Sм = 0,2 м/мин); грубая правка (Sм = 0,6 м/мин); 3 мин. шлифования Для определения числа зёрен в рабочем слое предварительно моделировали наружный слой ШК глубиной hНС 2dmax, где dmax - максимальный размер АЗ, мм.
Наружный слой равномерно заполняли сферами, описанными вокруг зёрен. Затем выделили зёрна, вершины которых попали в рабочий слой. В качестве закона распределения диаметров сфер приняли нормальный с параметрами, полученными проф. А.Н. Резниковым. Среднее число описанных сфер в наружном слое определили по формуле:
NНС = (2Rкрн - hНС)HкрhНСАМ(62 - 2Cy)/100nАМ, (5) где АМ - плотность абразивного материала, г/мм3; nАМ - число зёрен в 1 г абразивного материала, шт./г; Cу - номер структуры ШК; hНС - глубина наружного слоя, мм.
Для определения параметров принятого закона -распределения вершин неровностей РП по глубине была спроектирована и собрана экспериментальная установка для получению топографии с помощью метода параллельных сечений.
С помощью профилографа осуществляли лощупывание РП круга в осевом направлении. Далее ШК поворачивали на малый угол (3Е10) и цикл повторяли.
В результате многократного осуществления цикла получали ряд профилограмм, по которым строили топограмму.
В результате анализа топограмм получили графики распределения вершин неровностей по глубине РП различных кругов и кривые относительных опорных площадей в зависимости от режимов правки и с учётом износа. Указанные зависимости для ШК 1 1251632 25А 25-Н СМ2 7 К (WA F60 L 7 V) приведены на рис. 3. Проверку гипотезы о виде функции распределения неровностей по глубине РП проводили с помощью критерия согласия Пирсона 2 при уровне значимости 0,05. В большинстве случаев гипотеза не противоречит результатам наблюдений.
На основе разработанных математических моделей рабочего слоя ШК, движения вершины АЗ и процесса формирования поперечного микропрофиля детали созданы алгоритмы их реализации на ЭВМ, которые апробированы в среде математического пакета MathCAD.
Третья глава посвящена разработке математической модели формирования дефекта в виде абразивной царапины, базирующейся на модели РЧ зерна в виде параболоида вращения. В рамках главы были приняты следующие допущения:
1) весь деформируемый и не удаляемый в стружку материал выдавливается в направлениях, перпендикулярных вектору скорости резания, и образует по бокам канавки два навала, что соответствует их максимально возможной высоте; 2) навалы в поперечном сечении имеют форму полукругов.
Рассматривали процесс микрорезания в некоторой плоскости (рис. 4), перпендикулярной шлифуемой поверхности и параллельной оси ШК. Передняя поверхность РЧ зерна разделяется на 2 зоны: зона резания и зона выдавливания. Навалы достигнут максимальной высоты hнmax, когда вся зона выдавливания пройдёт через плоскость и в ней окажется вершина РЧ зерна Mi (рис. 4, б). При этом в соответствии с принятыми допущениями:
hц = a + hнmax ; (6) hнmax = 0,8 S ; (7) y max a hизн h 1, a hизн ymin ;
изн 1 1 b S = a hизн h 1 a hизн ymin hизн ymin, hизн ymin; (8) изн ymax 1 a hизн hизн a hизн ymin, hизн ymin a hизн, где a - глубина внедрения РЧ зерна, мкм; hц - высота царапины, мкм; и b - геометрические параметры РЧ зерна; hизн - износ РЧ зерна, мкм; 1 - угол сдвига, рад;
ymin = (tg(1)b)1/(1 - ), мкм.
а) б) Рис. 4. Процесс формирования единичной царапины:
1 - зона резания; 2 - зона выдавливания; 3 - профиль РЧ зерна в плоскости С помощью разработанной математической модели получены формулы для определения других параметров единичной царапины: ширины навалов bн, расстояния между их вершинами lн, коэффициента навалов н и относительной высоты навалов вн.
bн 2 hнmax ; (9) lн b a + 2 hнmax. (10) Полученные формулы (7) - (10) могут быть использованы для проверки адекватности математической модели формирования царапины и для сравнения с результатами других исследователей.
Разработанная математическая модель более точно отражает реальный процесс формирования микропрофиля: учитывается как собственно резание, так и упругопластическая деформация, а также износ РЧ. Достоинством модели является то, что она учитывает влияние технологического режима (a), параметров абразивных зёрен ( и b), пластических свойств обрабатываемого материала (1), а также процессы изнашивания и правки абразивного инструмента (hизн).
Четвёртая глава посвящена экспериментальным исследованиям РП круга, а также процесса формирования шероховатости шлифованной поверхности.
Экспериментальное исследование процесса формирования единичной абразивной царапины. Для проведения экспериментов по микрорезанию пластин-образцов единичным зерном были изготовлены 6 резцовых вставок с рабочей частью из эльбора, поскольку он имеет высокую износостойкость и РЧ вставки сохраняет свою геометрию при микрорезании.
Пластины-образцы для микрорезания были изготовлены из стали 45, HB 170Е180. Полученные царапины исследовали с помощью информационновычислительного комплекса на базе профилографа модели 170623.
В каждом сечении определяли следующие параметры (рис. 5, а): высоту навалов hнmax, расстояние между вершинами навалов lн, ширину навалов bн, коэффициент навалов н, относительная высоту навалов вн. Результаты измерения вышеперечисленных параметров для профилей царапин, полученных при микрорезании одним из зёрен, показаны на рис. 5, б - г.
В результате сопоставления результатов расчётов параметров hнmax и lн с результатами измерений установлено, что их расхождение в большинстве случаев не превышает 20 %. Это позволяет говорить о том, что навалы у края шлифовочной канавки имеют форму кругового сектора.
а) б) в) г) Рис. 5. Результаты эксперимента по микрорезанию единичным зерном:
а - измеряемые параметры царапины; б - е - зависимости параметров царапины от глубины внедрения единичного зерна a; аналитическая модель; линейная регрессионная модель (V = 35 м/с); линейная регрессионная модель (V = 70 м/с); - лоблако экспериментальный точек (V = 35 м/с); - лоблако экспериментальный точек (V = 70 м/с) Теоретико-экспериментальные исследования процесса формирования шероховатости шлифованной поверхности. В работе показана возможность использования разработанной имитационной модели формирования шероховатости для относительной оценки влияния различных условий шлифования на максимальную глубину внедрения зёрен amax = max{aj} (рис. 1) и параметры шероховатости обработанной поверхности Rmax, Ra, Rz.
Первая серия компьютерных экспериментов была проведена для условий плоского шлифования ШК 1 45063203 25А 40 СМ1 6 К (WА F46 K 6 V). Варьировали глубиной шлифования t от 20 до 40 мкм и числом выхаживающих ходов пвых от 3 до 7.
Вторая серия компьютерных экспериментов была проведена для условий наружного круглого шлифования с продольной подачей ШК 1 40040127 25А СМ2 6 К (WА F46 L 6 V). Варьировали продольной подачей на оборот Sо от 2,5 до 5 мм/об и окружной скоростью заготовки Vз от 28 до 56 м/мин.
В работе показана возможность использования разработанного комплекса математических моделей для абсолютной оценки параметров шероховатости шлифованной поверхности. Для этого были проведены две серии натурных экспериментов по шлифованию образцов из стали 38Х2Н2МА, HRC 27Е34, аналогичные проведённым ранее сериям компьютерных экспериментов. Затем были сопоставлены теоретические параметры шероховатости с результатами их измерений.
Установлено, что шлифование с научно-обоснованными режимами обеспечивает высотные параметры шероховатости на 20 % меньше прогнозируемых значений.
На основе имитационной модели процесса формирования шероховатости и математической модели образования микропрофиля единичной абразивной царапины был разработан алгоритм обеспечения требуемой шероховатости шлифованной поверхности с учётом отсутствия дефектов в виде абразивных царапин (рис. 6) и создано соответствующее программное обеспечение. В качестве исходных данных использовали в общем случае 20 параметров (блоки 2, 6, 9 на рис. 6), характеризующие ШК, заготовку и условия обработки.
В пятой главе описано применение разработанного алгоритма обеспечения требуемой шероховатости шлифованной поверхности с учётом отсутствия дефектов в виде абразивных царапин (рис. 6) в условиях ОАО Тяжмаш (г. Сызрань) на примере обработки заготовки детали Шток. Материал заготовки - сталь 38Х2Н2МА. В технологическом процессе обработки указанной детали пре0,2дусматривается шлифование цилиндрической поверхности до 125 под нане0,2сение хромового покрытия. Последующее хромирование диктует повышенные требования к шероховатости Ra = 0,32 мкм.
Обработка детали Шток в заводских условиях осуществлялась на круглошлифовальном станке модели 3А164А, кругом 1 75080305 25А 40-Н СМ2 6 К (WA F40 L 6 V) с режимами t = 0,05 мм, Sо = 5 мм/об, Vз = 12 м/мин, Vкр = 35 м/с, nвых = 2. ШК правили алмазным карандашом с режимами - t = 0,03 мм, Sм = 0,м/мин. Шлифование в заводских условиях приводило к возникновению на поверх0,2ности 125 глубоких царапин и значительным колебаниям параметров шеро0,2ховатости (Ra = 0,30Е0,50 мкм), что недопустимо по техническим требованиям на деталь. В связи с этим в рамках последующей токарно-винторезной операции 0,2производится полировка поверхности 125, а затем слесарная операция до0,2водки с помощью шлифовальных шкурок.
Для решения обозначенных проблем проводили моделирование обработки заготовки детали Шток. Варьировали зернистостью ШК N, продольной подачей на оборот Sо, окружной скоростью заготовки Vз и числом выхаживающих ходов nвых. Результаты моделирования обработки представлены на рис. 7.
Рис. 6. Алгоритм обеспечения требуемой шероховатости шлифованной поверхности с учётом отсутствия дефектов в виде абразивных царапин а) б) Рис. 7. Результаты моделирования процесса формирования шероховатости поверхности детали Шток (а) и процесса формирования микропрофиля единичных царапин (б) 1 - Sо = 5 мм/об, Vз = 12 м/мин, nвых = 6; 2 - Sо = 5 мм/об, Vз = 12 м/мин, nвых = 2;
3 - Sо = 20 мм/об, Vз = 30 м/мин, nвых = 6; 4 - Sо = 20 мм/об, Vз = 30 м/мин, nвых = 2;
* требуемая шероховатость; ** экспериментальный порог исчезновения абразивных царапин В результате моделирования определены условия шлифования, которые позволили обеспечить требуемое конструкторской документацией значение Ra = 0,32 мкм (рис. 7, а) и устранить видимые на поверхности детали абразивные царапины высотой hцmax 2,5 мкм (рис. 7, б). С целью обеспечения максимальной производительности окончательно был выбран ШК 1 75080305 25А 25-Н СМ2 К (WA F60 L 6 V). Режимы шлифования: t = 0,01 мм, Sо = 5 мм/об, Vз = 12 м/мин, Vкр = 35 м/с, nвых = 2.
После моделирования обработки заготовки детали Шток были проведены натурные эксперименты по её шлифованию, которые подтвердили полученные теоретические результаты. Это зафиксировано в протоколе испытаний и акте об использовании результатов кандидатской диссертации.
Трудоёмкость механической обработки штока на операциях шлифования, полирования и доводки уменьшилась на 2 ч. или 29 %; технологическая себестоимость - на 202 руб. или 23 %. Общий экономический эффект составил 211393 руб.
Таким образом, была доказана экономическая эффективность результатов проведённых в диссертации исследований.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 1. В результате проведённого анализа априорной информации показана актуальность разработки математической модели формирования шероховатости обработанной поверхности при шлифовании с учётом возможности образования дефектов в виде единичных абразивных царапин.
2. Разработана имитационная модель процесса формирования шероховатости обработанной поверхности при различных видах шлифования с учётом характеристики круга, режимов его правки, колебаний и режимов шлифования.
3. Апробирован на практике метод параллельных сечений и разработано специальное приспособление для получения топографии рабочих поверхностей шлифовальных кругов. Получены статистические характеристики рабочих поверхностей различных шлифовальных кругов.
4. Разработана математическая модель формирования микропрофиля единичной абразивной царапины, которая базируется на объёмной модели рабочей части зерна в виде параболоида вращения. Получены зависимости для высоты абразивной царапины от геометрических параметров рабочей части зерна с учётом его износа, технологического режима и пластических свойств обрабатываемого материала.
5. В результате сопоставления результатов расчётов высоты навалов hнmax и расстояния между их вершинами lн с результатами измерений установлено, что расхождение теоретических и экспериментальных данных в большинстве случаев не превышает 20 %. Принятая форма рабочих частей зёрен и навалов соответствуют форме шлифовочной канавки и навалов на профилограммах реальных абразивных царапин.
6. На основе комплекса полученных математических моделей разработаны и апробированы алгоритмы их реализации на ЭВМ. Создано программное обеспечение для выбора рациональных характеристик шлифовального круга и режимов шлифования в зависимости от требуемой шероховатости обработанной поверхности.
7. Разработанный комплекс математических моделей позволяет получить доверительные интервалы для максимальных значений высотных параметров шероховатости. Установлено, что шлифование с научно-обоснованными режимами на практике обеспечивает высотные параметры шероховатости на 20 % меньше теоретических значений.
8. Проведена опытно-промышленная проверка разработанного комплекса математических моделей на примере шлифования заготовки детали Шток.
Трудоёмкость механической обработки штока на операциях шлифования, полирования и доводки уменьшилась на 29 %; технологическая себестоимость - на 23 %. Общий экономический эффект составил 211393 руб.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.
Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень периодических изданий ВАК РФ:
1. Широков А.В., Осипов А.П. К вопросу о прогнозировании и обеспечении параметров шероховатости шлифованной поверхности // Известия вузов.
Машиностроение. - 2007. - № 6. - С. 76 - 88.
2. Широков А.В., Осипов А.П., Мансуров Р.Н. Исследование топограмм шлифовальных кругов различных характеристик // Известия вузов. Машиностроение. - 2011. - № 10. - С. 76 - 80.
3. Широков А.В., Осипов А.П. Имитационное моделирование формообразования шлифованной поверхности // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - Самара: СамНЦ РАН. - 2011. - Т. 13. - № 4(3). - С. 905 - 909.
4. Широков А.В., Осипов А.П. Совершенствование технологии обработки крупногабаритных деталей на основе имитационного моделирования процесса шлифования // Главный механик. - М.: Промиздат. - 2012. - № 1. - С. 28 - 33.
Публикации в других изданиях:
5. Широков А.В., Осипов А.П. Прогнозирование параметров шероховатости шлифованной поверхности с учетом пластического оттеснения металла абразивными зернами // Вестник Национального технического университета Харьковский политехнический институт. Сборник научных трудов.
Тематический выпуск: Технологии в машиностроении. - Харьков: НТУ ХПИ. - 2010. - № 53. - С. 140 - 151.
6. Широков А.В., Осипов А.П., Мансуров Р.Н. Проверка адекватности разработанной математической модели формирования шероховатости шлифованной поверхности на основе экспериментов по микрорезанию единичным абразивным зерном // Вестник Национального технического университета Харьковский политехнический институт. Сборник научных трудов. Тематический выпуск: Технологии в машиностроении. - Харьков: НТУ ХПИ. - 2010. - № 54. - С. 139 - 153.
7. Широков А.В., Осипов А.П. Исследование процесса формирования шероховатости поверхности при внедрении единичной режущей кромкой абразивного зерна // Научно-техническое творчество: проблемы и перспективы.
Сборник статей всероссийской науч.-техн. конф.-семинара. Сызрань: Филиал ГОУ ВПО СамГТУ в г. Сызрани. - Самара, 2006.Ц С. 95 - 99.
8. Широков А.В., Осипов А.П. Прогнозирование параметра шероховатости Rmax шлифованной поверхности на основе математического моделирования процесса формирования единичной риски // Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении: труды II Международ. науч.-техн. конф. (Резниковские чтения) / под ред. А.В. Гордеева, Л.А. Резникова, А.В. Сергеева. - Тольятти: ТГУ, 2008. - Ч. I. - С. 234 - 239.
9. Широков А.В., Осипов А.П. Имитационное моделирование процесса плоского шлифования // Будущее машиностроения России: сб. тр. Всерос. конф.
молодых учёных и специалистов [Электронный ресурс]. - М.: МГТУ им.
Н.Э. Баумана, 2009. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). - Загл. с экрана. - №0320901785.
10. Широков А.В., Мансуров Р.Н. Экспериментальное исследование образования единичных рисок-царапин при абразивной обработке // Будущее машиностроения России: сб. тр. Всерос. конф. молодых учёных и специалистов [Электронный ресурс]. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. - 1 электрон.
опт. диск (CD-ROM). - Загл. с экрана. - №0321001780.
11. Широков А.В., Осипов А.П., Мансуров Р.Н. Анализ топограмм шлифовальных кругов различных характеристик // Будущее машиностроения России: сб. тр. Всерос. конф. молодых учёных и специалистов [Электронный ресурс]. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. - 1 электрон. опт. диск (CDROM). - Загл. с экрана. - №0321102532.
Автореферат ШИРОКОВ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШЛИФОВАНИЯ ЗАГОТОВОК НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ Подписано в печать __________. Формат 6084/16.
Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. п.л. 1,16.
Тираж 100 экз. Заказ №____ 446001, г. Сызрань, ул. Советская,
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям