Введение к работе
Актуальность темы. Обеспечение качества выпускаемых на предприятиях России подшипников является одной из главных задач, от решения которой зависит конкурентоспособность продукции на внутреннем и международном рынках. Одним из важнейших процессов финишной обработки поверхностей качения колец подшипников является шлифование на автоматизированных станках. Влияние ряда факторов, сопровождающих шлифование (теплофизических, динамических и других), приводит к снижению качества колец и, соответственно, подшипников. Качество деталей подшипников достигается путем управления процессами шлифования, в основе которых лежит анализ влияющих факторов и выделение доминирующих, одним из которых являются динамические процессы в технологической системе (ТС), которые оцениваются по виброакустическим колебаниям (ВА) основных функциональных узлов. Уровень и частотный состав ВА колебаний при резании служат обобщающими показателями динамических характеристик станков, существенно влияющих на формирование отклонений от круглости, огранки, волнистости и шероховатости колец подшипников и связанную с ними неоднородность физико-механических свойств поверхностного слоя дорожек качения колец подшипников.
Повышение уровня ВА колебаний узлов объясняется рядом причин эксплуатационного характера, в частности снижением качества оборудования, износом узлов трения станков, недостаточным качеством наладки, технического обслуживания и ремонта, выбором режима шлифования. По мере технического прогресса повышаются требования к качеству и производительности шлифования и, тем самым, к точности управления процессом обработки, которая базируется на определении режимов шлифования на основании выбранных критериев, в частности однородности физико–механических свойств поверхностного слоя дорожек качения колец подшипников, определяемых вихретоковым методом.
Вследствие того, что колебания узлов носят сложный характер, заключающийся в наличии детерминированных и стохастических составляющих, эффективны спектрально-корреляционные методы обработки результатов измерений, которые позволяют осуществить идентификацию динамической системы (ДС) станков методами теории автоматического управления. Подобные исследования проводились Б.М.Бржозовским, В.Л.Заковоротным и другими учеными. В отличие от их работ предлагаемый метод идентификации основан на вычислении автокорреляционной функции (АКФ) ВА колебаний и определении передаточной функции замкнутой ДС станка, по которой можно определить ее запас устойчивости при различных подачах круга. Далее, на основе установленной экспериментально связи запаса устойчивости ДС и качества поверхностного слоя определяется рациональный режим шлифования по подаче круга. В приложении к шлифовальным станкам подобные оценки в известных работах не применялись и, следовательно, недостаточно освещена взаимосвязь указанных стохастических характеристик динамических процессов в технологической системе с качеством обработки, что и обусловливает актуальность работы.
Цель работы: повышение качества обработки поверхностей качения колец подшипников – однородности физико-механических свойств поверхностного слоя на основе идентификации динамической системы шлифовального станка по автокорреляционным функциям виброакустических колебаний и определение рациональной подачи абразивного круга по запасу устойчивости динамической системы.
Методы и средства исследования. Теоретические исследования выполнены на основе положений динамики станков, методов теории автоматического управления, процессов резания, теории случайных процессов с использованием компьютерного моделирования. Экспериментальные исследования проведены в производственных условиях на автоматизированных шлифовальных станках для обработки колец подшипников, оснащенных приборами активного контроля, с применением средств измерения ВА колебаний узлов станков, в том числе виброизмерителя ВШВ – 003М3 с компьютерной обработкой результатов, контроля качества деталей, включая автоматизированный вихретоковый прибор ПВК – К2М (зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений № 26079-03).
Научная новизна работы:
1. Разработан и обоснован метод идентификации динамической системы шлифовального станка при обработке колец подшипников по автокорреляционной функции стохастических виброакустических колебаний основных узлов формообразующей подсистемы при воздействии на динамическую систему сигнала типа «белый шум», и обеспечивающий вычисление передаточной функции замкнутой динамической системы при различных подачах круга.
2. Разработана модель динамической системы шлифовального станка в виде передаточной функции, связывающей силу резания с подачей круга, с использованием уточненной модели съема припуска по кривой, близкой к спирали Архимеда, на основе которой получена частотная функция, позволяющая осуществить компьютерное моделирование спектров регистрируемых колебательных процессов на выходе системы при воздействии на входе силы резания со стохастической компонентой типа «белый шум».
3. Разработано методическое обеспечение для определения рационального режима шлифования колец подшипников по максимальному запасу устойчивости динамической системы при различных подачах круга, на основе выявленной экспериментально связи качества поверхностного слоя с запасом устойчивости ДС, определенным из идентифицированной передаточной функции по критерию Михайлова, и целеориентированное на получение заданной однородности физико-механических свойств поверхностного слоя дорожек качения колец подшипников, определяемой вихретоковым методом.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Создана методика для определения рациональной подачи круга по стохастическим характеристикам ВА колебаний, регистрируемых в диапазоне от 400 Гц до 4000 Гц. Экспериментально установлены допустимые подача и скорость съема припуска на шлифовальных станках SIW-4 и SIW-5, обеспечивающие заданное качество поверхностного слоя, оцениваемого в баллах автоматизированным вихретоковым прибором ПВК-К2М. Эти данные заносятся в базу системы мониторинга технологического процесса для каждого станка. Внедрение результатов работы осуществлено в ООО НПП «Подшипник – СТОМА» в рамках программы внедрения специальных технических средств для совершенствования системы управления качеством, действующей на предприятии, что позволило повысить стабильность параметров качества поверхностного слоя колец на 15-20% и сократить брак, что подтверждается актом внедрения.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Международных конференциях: «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2007), «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2008), «Оптимизация процессов резания, разработка и эксплуатация мехатронных станочных систем» (Уфа, 2009); Всероссийской конференции «Совершенствование техники, технологий и управления в машиностроении»
(Саратов, 2009) и на заседаниях кафедры «Автоматизация и управление технологическими процессами» СГТУ в 2010 - .2011 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 4 статьи в журналах, включенных в перечень ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, включает 153 страницы текста, 50 рисунков, 4 таблицы и 5 приложений, список литературы содержит 155 наименований.
