Повышение качества поверхности деталей из высокопрочных алюминиевых сплавов при маятниковом плоском шлифовании карбидкремниевыми кругами Нгуен Чи Киен

Содержание к диссертации

Введение

1 Анализ состояния вопроса 10

1.1 Основные свойства и применение алюминиевых сплавов 10

1.2 Особенности шлифования деталей из алюминиевых сплавов 17

1.3 Вибрационные процессы при шлифовании 18

1.4 Подходы к моделированию и оптимизации процесса шлифования 20

1.4.1 Статистические модели процесса шлифования 20

1.4.2 Применение искусственного интеллекта в машиностроении 22

1.4.3 Оптимизация процесса шлифования 24

Выводы, цель и задачи исследования 29

2 Теоретический анализ процесса шлифования и методика проведения натурного эксперимента 31

2.1 Методы интерпретация случайных величин 31

2.1.1 Параметрические методы интерпретация случайных величин 31

2.1.2 Непараметрические методы интерпретации случайных величин 33

2.2 Статистические методы классификация больших баз данных 35

2.2.1 Применение кластерного анализа 35

2.2.2 Применение нечеткой логики 38

2.3 Теория планирования эксперимента для построения моделей 40

2.3.1 Планы проведения эксперимента 40

2.3.2 Методика поиска моделей многомерного дисперсионного анализа в программной среде Design Expert 43

2.4 Теория многопараметрической оптимизации поверхности отклика 46

2.5 Условия проведения натурного эксперимента 49

2.5.1 Методика проведения натурного эксперимента 49

2.5.2 Методика статистической обработки наблюдений 55

3 Технологические методы и приемы плоского шлифования для повышения качества поверхности деталей из высокопрочных алюминиевых сплавов 58

3.1 Классификация абразивных кругов при плоском шлифовании сплава 1933Т2 по результатам кластерного анализа 58

3.2 Выбор оптимальных абразивных кругов при плоском шлифовании с привлечением нечеткой логики 64

3.2.1 При шлифовании деталей из сплава 1933Т2 64

3.2.2 При шлифовании деталей из сплава В95очТ2 73

3.3 Технологические приемы, повышающие качества поверхности при плоском шлифовании деталей из высокопрочных алюминиевых сплавов 75

3.3.1 Поиск оптимальных выхаживающих ходов при шлифовании алюминиевого сплава 1933Т2 75

3.3.2 Оценка обрабатываемости шлифованием алюминиевых сплавов высокопористыми кругами 81

3.3.3 Выбор рациональной схемы задания поперечной подачи с учетом виброустойчивости технологической системы 86

3.3.4 Выбор рациональной схемы продольного врезания круга в деталь с учетом виброустойчивости технологической системы 90

3.3.5 Оценка влияния характеристик абразивных кругов на качество поверхности деталей 93

3.3.6 Влияние смазочно–охлаждающей жидкости на качество поверхности детали 98

Выводы по главе 101

4 Моделирование и многокритериальная оптимизация процесса плоского шлифования алюминиевых деталей с различной жесткостью 103

4.1 Статистическое моделирование параметров качества поверхности деталей абсолютной и переменной жесткости с помощью моделей многомерного дисперсионного анализа 103

4.2 Прогнозирование качества поверхности деталей из сплава 1933Т2 переменной жесткости при плоском шлифовании 106

4.2.1 Прогнозирование параметров микрорельефа поверхности деталей с различной податливостью 106

4.2.2 Прогнозирование показателей точности формы поверхности деталей с различной податливостью 116

4.2.3 Прогнозирование микротвердости поверхности при шлифовании деталей с различной податливостью 121

4.3 Многопараметрическая оптимизация качества поверхности деталей при плоском шлифовании абразивными кругами высокой пористости 124

4.3.1 Оптимизация процесса плоского шлифования деталей абсолютной жесткости 124

4.3.2 Оптимизация процесса плоского шлифования деталей с поперечной жесткостью 129

4.3.3 Оптимизация процесса плоского шлифования деталей с продольной переменной податливостью 132

Выводы по главе 136

Выводы по работе 139

Библиографический список 141

• Оптимизация процесса шлифования
• Классификация абразивных кругов при плоском шлифовании сплава 1933Т2 по результатам кластерного анализа
• Оценка влияния характеристик абразивных кругов на качество поверхности деталей
• Прогнозирование показателей точности формы поверхности деталей с различной податливостью

Введение к работе

Актуальность темы. Алюминиевые сплавы относятся к перспективным материалам, которые в настоящее время используются во многих областях в промышленности, и в первую очередь: в авиационной, автомобильной, на железнодорожном транспорте и т.д. В авиа- и автомобилестроении они широко используются для летательных аппаратов, корпусов автомобилей и ротационных деталей, обладающих различной податливостью. Окончательная обработка оказывает большое влияние на качество поверхностного слоя деталей и в связи с этим на их эксплуатационные свойства. В настоящее время наиболее распространенным методом ее реализации является фрезерование, точение и другие методы лезвийной обработки, не обеспечивающие в должной мере высокое качество поверхности деталей. Шлифование деталей из алюминиевых сплавов не нашло такого широкого распространения, как сталей, в виду засаливания абразивных кругов, которые являются наиболее слабым звеном в технологической системе.

Абразивные круги принято классифицировать по признакам, которые должны обеспечиваться на стадии их изготовления. Их необходимо выбрать с наибольшей оптимальностью. Большой резерв несут круги высокой пористости. Статистические методы не позволяют выполнить поставленные задачи, особенно в условиях, когда выходные параметры топографии поверхности деталей представлены комплексными (интегральными) оценками. Использование метода кластерного анализа и нечеткой логики позволяют реализовать многомерную классификацию рассматриваемых субъектов или явлений на группы, в определенном смысле характеризующих их однородность с одновременным учетом мер положения (средних, медиан) и рассеяния.

Основной целью разработки шлифовальной операции является обеспечение требуемой топографии поверхности деталей при наименьшей трудоемкости, которые достигаются путем ее многокритериальной оптимизации.

Цель работы. Повышение качества поверхности и снижение трудоемкости плоского шлифования деталей из высокопрочных алюминиевых сплавов с различной жесткостью абразивными кругами из карбида кремния различной пористости.

Для достижения цели были сформулированы задачи исследования:

1. Выполнить поиск моделей многомерного дисперсионного анализа для прогнозирования влияния технологических факторов на качество поверхности и трудоемкость процесса при маятниковом плоском шлифовании. В их число наряду с традиционными факторами (продольной и поперечной подачами, глубиной резания) включены жесткость шлифуемой заготовки и направление ее варьирования, а также операционный припуск, учитывающий многопроход-ность его съема.

2. Повысить качество поверхности алюминиевых деталей и снизить трудоемкость процесса шлифования с учетом выбора оптимальных абразивных кругов, режимов и технологических приемов.

3. Исследовать влияние операционного припуска и вибраций на форми
рование топографии поверхности деталей с абсолютной и переменной жестко
стью при многопроходном шлифовании.

4. Провести многокритериальную оптимизацию процесса шлифования
алюминиевых деталей с различной податливостью с учетом их технологиче
ских и конструктивных требований.

Объект исследования. Детали из алюминиевых сплавов с переменной жесткостью, шлифовальные круги из карбида кремния различной пористости.

Предмет исследования. Процесс маятникового плоского шлифования, параметры качества шлифуемых поверхностей деталей.

Методы исследования. Работа сформирована на базе научных основ технологии машиностроения, теории шлифования металлов, теорий математической статистики и планирования эксперимента, кластерного анализа, нечеткой логики и оптимизации технологических процессов.

Научная новизна работы:

1. Получены новые результаты по влиянию характеристик карбидкремни-
евых кругов различной пористости и технологических приемов на топографию
поверхности алюминиевых деталей по мерам положения и рассеяния с привле
чением нечеткой логики.

2. Выявлены закономерности влияния технологических параметров на
качества поверхности алюминиевых деталей различной податливости на всех
этапах шлифования.

3. Получены результаты о влиянии вибраций на топографию поверхности деталей из высокопрочных алюминиевых сплавов при маятниковом шлифовании.

4. Получены результаты многокритериальной оптимизации процесса маятникового шлифовании деталей из алюминиевых сплавов с учетом их податливости и качества поверхности по параметрам шероховатости, точности формы и микротвердости.

Практическая значимость работы. Полученные результаты по режимам и технологическим приемам следует использовать при шлифовании ответственных деталей из алюминиевых сплавов с переменной жесткостью. Они вошли в технологические рекомендации плоского шлифования алюминиевых деталей с абсолютной жесткостью (типа плит) и переменной податливостью с учетом направления ее варьирования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика и результаты классификации режущих абразивных кругов и поиска оптимального инструмента по комплексным параметрам качества поверхности при плоском шлифовании алюминиевых деталей с привлечением кластерного анализа и нечеткой логики.

2. Результаты исследования влияния технологических параметров на топографию поверхности и трудоемкость плоского маятникового шлифования.

3. Модели многофакторного дисперсионного анализа для прогнозирования качества поверхности деталей из алюминиевых сплавов с различной податливостью при плоском шлифовании.

4. Результаты многокритериальной оптимизации режимов плоского маятникового шлифования алюминиевых деталей с различной жесткостью при обеспечении требуемого качества поверхности и снижении трудоемкости процесса.

Апробация работы. Основные положения диссертации представлены и обсуждены на всероссийских и международных научно-технических конференциях: «Инновации в машиностроении» (г. Кемерово, 2015 г.); «Современные технологии в машиностроении» (г. Пенза, 2015 г.); «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» (г. Иркутск, 2016 и 2017 гг.); «Жизненный цикл конструкционных материалов (от получения до утилизации)» (г. Иркутск, 2016 г.); «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации» (г. Пермь, 2017 г.); «International scientific review» (с. Munich – Germany, c. London – United Kingdom, 2015 г.), «Science News» (с. Karlovy Vary – Czech, 2015 г.); «Austrian Journal of Technical and Natural Sciences» (с. Vienna – Austria, 2015 г.).

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы апробированы и используются в учебном процессе для бакалавров, магистрантов машиностроительных специальностей ИРНИТУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК, две в зарубежных журналах, одна входящая в систему Scopus, а другая – в WoS.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Основные материалы работы насчитывают 140 страниц, содержат 62 таблицы, 44 рисунка, список литературы из 147 наименований и 5 приложений. Общий объем работы 182 страницы.

Оптимизация процесса шлифования

К показателям, характеризующим качество поверхности детали, относят геометрические параметры, физико–механические и химические свойства [55,103,115,118 и др.]. Исследованию качества обработанных поверхностей деталей посвящено достаточное большое количество работ. Среди исследователей в данной области следуют выделить: В.Ф. Безьязычного [3], В.А. Валетова [14], Ю.Р. Витенберга [16], В.А. Горохова [22], Н.Б. Демкина [35], И.В. Дунина–Барковского [38], П.Е. Дьяченко [39], А.И. Исаева [44], В.С. Комбалова [50], В.С. Корсакова [52], А.Г. Косилову [54], С.Л. Леонова [60], А.А. Маталина [66], Ю.К. Новоселова [73,72], Э.В. Рыжова [88], А.Г Суслова [102,101], и др. На рисунке 1.4 представлена классификация основных параметров, характеризующих качество поверхности детали [55,103].

К показателям, характеризующим качество поверхности детали, относят геометрические параметры, физико–механические и химические свойства [55,103,115,118 и др.]. Исследованию качества обработанных поверхностей деталей посвящено достаточное большое количество работ. Среди исследователей в данной области следуют выделить: В.Ф. Безьязычного [3], В.А. Валетова [14], Ю.Р. Витенберга [16], В.А. Горохова [22], Н.Б. Демкина [35], И.В. Дунина–Барковского [38], П.Е. Дьяченко [39], А.И. Исаева [44], В.С. Комбалова [50], В.С. Корсакова [52], А.Г. Косилову [54], С.Л. Леонова [60], А.А. Маталина [66], Ю.К. Новоселова [73,72], Э.В. Рыжова [88], А.Г Суслова [102,101], и др. На рисунке 1.4 представлена классификация основных параметров, характеризующих качество поверхности детали [55,103].

Шероховатость поверхности определяется семью стандартизованными пара метрами и зависит от рода обработки, материала заготовки, геометрической формы и материала режущего инструмента, режимов резания и др. От качества поверхности зависят следующие эксплуатационные характеристики деталей: износостойкость, усталостная прочность, стабильность зазоров и натягов между сопрягаемыми деталями, стойкость против коррозии (таблица 1.2).

Качество поверхности деталей машин зависит в основном от метода и режимов проведения завершающей обработки. При определенных условиях поверхностный слой может быть упрочнен, а иногда разупрочнен. Путем технологического воздействия необходимо в поверхностном слое создавать такие механические свойства и остаточные напряжения, которые в наибольшей степени соответствуют условиям длительной и надежной эксплуатации деталей. Целенаправленное формирование поверхностного слоя с заданными свойствами в процессе ее изготовления является одной из важнейших задач в технологии машиностроения.

Точность обработки и качество поверхности при шлифовании во многом определяется характером и уровнем относительных колебаний инструмента и заготовки. В работе [20] отмечено, что наиболее мощным источником вибраций в зоне резания является дисбаланс круга, непрерывно изменяющийся по времени обработки и вызывающий вынужденные и собственные колебания на частоте вращения круга и кратных ей.

Основной целью технологической операции является обеспечение требуемых характеристик качества деталей при наименьшей трудоемкости обработки [31]. В силу сказанного критерии оптимизации, отражающие пути достижения данной цели, могут быть сформулированы следующим образом: технологические, экономические, технико–экономические, эксплуатационные и прочие.

В работе [45] отмечено, что применение одного из методов математического планирования при исследовании процесса торцового шлифования специальным алмазным кругом с дискретной рабочей поверхностью позволяет получить математические модели, отражающие зависимости выходных параметров от входных. Следующая геометрическая интерпретация этих моделей и применение «наложенных сечений» дает возможность выбирать данное сочетание режимов резания, гарантирующее принятие необходимых показателей процесса.

Для оптимизации режимов резания по трудоемкости и расходу алмазов эффективно разделить процесс шлифования на два этапа: врезания и установившийся. Анализ факторов при алмазном затачивании сменных твердосплавных пластин показал, что закономерности изменения среднего контактного давления позволяют получить обоснованные решения по выбору схемы и режимов резания [51,65]. На этапе врезания, вследствие уменьшения площади контакта, среднее контактное давление практически всегда значительно выше оптимальных значений, что приводит к появлению зоны интенсивного износа рабочей поверхности алмазного круга в результате разрушения связки. При установившемся этапе среднее контактное давление и трудоемкость шлифования тесно связаны с мощностью привода станка. Таким образом, возникла необходимость в разработке специализированного оборудования, предназначенного для алмазного затачивания сменных твердосплавных пластин с низкой трудоемкостью при минимальном удельном расходе алмазов.

В работе [6] автор предлагает заменить процесс выхаживания шлифовальным кругом на обработку абразивными брусками, которая обеспечивает достижения требуемой трудоемкости и снижение волнистости поверхности в 2,5 раза. Предложенные разработки сокращают затраты обработки ответственных деталей без значительных капитальных вложениях при обработке деталей с жёсткими требованиями к состоянию их поверхностей.

В своих работах [8,9,10] Братан С.М. исследовал проблемы повышения качества и стабильности оптимизации процесса шлифовании, а также разработал рекомендации по оптимизации процесса шлифовании.

При обработке заготовок на станках иногда возникают периодические колебательные движения (вибрации) элементов технологической системы. В этих условиях процесс резания теряет устойчивость. Вибрации сопровождают любой процесс механической обработки и в большинстве случаев являются одним из негативных явлений. Результатом вибраций является шум, плохое качество обработки, уменьшение периода стойкости инструмента, а также преждевременный износ узлов станка. Задачей технолога является установление параметров резания таким образом, чтобы максимально эффективно осуществить обработку с заданными требованиями к качеству и точности изделия. В работе [89] автор исследует влияние вибраций на точность и качество поверхности отверстий при сверлении. Полученные результаты использованы для модального анализа при определении оптимальных режимов сверлении отверстий цельными твердосплавными сверлами. В работах [142,143] рассмотрены варианты крутильных и поперечных вибраций при сверлении и их влияние на форму отверстия. Они показывают состояние поверхности дна отверстия при различных сочетаниях крутильных и поперечных вибраций. Вопросы снижения вибраций элементов системы при шлифовании становятся особенно актуальными в силу необходимости достижения более высокого качества поверхности деталей. Возникновение вибраций при шлифовании характеризуются возмущающими силами и свойствами упругой системы, которые определяют как возможность возникновения вибраций, так и их интенсивность, т.е. амплитуду и частоту.

В [61] решается задача повышения эффективности процесса шлифования за счёт применения планетарного устройства для плоского торцевого шлифования. Экспериментальные и теоретические исследования показали, что время на обработку заготовок сократилось в 3,5 раза, а себестоимость операции – в 2 раза.

В работах [37,76,97] представлены результаты исследования шлифования высокопористыми инструментами (с номерами структуры до 16…24). Показано, что использование высокопористых кругов позволяет увеличить глубину резания и поперечную подачу с повышенными качествами получаемой поверхности. Дополнительно использование этих кругов обеспечивает снижение количества правок за цикл обработки.

Проведенные изучения процесса шлифования высокопористыми кругами [38] показали, что использование вышеуказанных инструментов позволяет уменьшить шероховатость обработанной поверхности в пределах категориальной величины [26] и увеличить микротвердость в 1,4 раза. Применение кругов по предложенным рецептурам позволяет сократить машинное время шлифования и снизить себестоимость операции.

В [70] отмечено повышение эффективности процесса шлифования путём совершенствования структуры инструмента. В ней предлагается новый наполнитель для увеличения силы, удерживающей зерно в связке, без образования дефектных структур. При этом в наполнителе были использованы абразивные зёрна близкие к материалам основной фракции, но меньшего размера. Предложенные круги позволили снизить трудоемкость шлифования на 40% и стойкость инструмента – на 50%. Параметр шероховатости обработанной поверхности снизился на одну категориальную величину.

Классификация абразивных кругов при плоском шлифовании сплава 1933Т2 по результатам кластерного анализа

Абразивные круги классифицируются по различным признакам: форме, геометрическим размерам, виду и марке абразивного материала и т.д., которые обеспечиваются на стадии их изготовления [27,28,29]. На производстве, в первую очередь, интересуют их технологические признаки. Так, обычно тип абразива оказывается более значимым по сравнению с твердостью. До настоящего времени при шлифовании деталей из алюминиевых сплавов отмечается дефицит информации по оценке влияния кругов на выходные параметры качества поверхности деталей, особенно когда они должны быть представлены комплексными (интегральными) оценками.

Кластерный анализ позволяет разбить абразивные круги по режущим способностям на классы, каждый из которых соответствует определенной группе. Наблюдения, включенные в одну группу, характеризуют одинаковую вероятность оценки режущих способностей кругов, которая впоследствии должна обеспечить равноценное качество поверхности деталей после шлифования. Для реализации кластерного анализа выбрана программа Statistica 6.1.478.0. Используемые при кластерном анализе мера положения и рассеяния зависят от свойств полученных наблюдений (2.1).

На первом этапе исследования режущих способностей кругов по формированию качеств поверхности деталей используем однофакторный дисперсионный анализ для оценки однородности дисперсий (принятие нуль-гипотез Н0). Оно проведено по критериям (р = ТГЗ): 1 - Левене; 2 - Хартли, Кохрена и Бартлетта (представлены в программе одной совокупностью); 3 - Брауна-Форсайта. Его результаты представлены в таблице 3.1. Выявлено, что для всех параметров топографии поверхности 0 приняты на 5%-ном уровне значимости, т.е. различие между дисперсиями отклонений для кругов = 1;14 носит случайный характер.

На втором этапе однофакторного дисперсионного анализа протестированы законы нормального распределения, проанализированные с привлечением статистики Шапиро-Уилка по всем показателям качеств поверхности в отдельности и для каждого абразивного круга. Таким образом, общее количество проанализируе-мых ситуаций составило N=714=98. Результаты тестирования (таблица 3.2) показали, что (3.2) приняты в 14-ти из 98 случаев, которые выделены в таблице.

По результатам двух тестирований «своим полем» для интерпретации (2.1) выбран непараметрический метод статистики, который характеризуется частотами (2.37) и (2.40). Меры и КШ после статистической обработки рассматриваем входными данными (таблица 3.3) для классификации кругов по качеству поверхности сплава 1933Т2 с применением кластерного анализа.

На первом этапе кластерного анализа в программе использовали вертикальную дендограмму (рисунок 3.1) и схемы объединения (таблица 3.6). На рисунке 3.1 по оси абсцисс представлены наблюдаемые объекты - коды исследуемых кругов а) = ЇУІ4, а по оси ординат - расстояния объединений. В таблице 3.4 первый столбец содержит расстояния объединений do6 объектов в соответствующем кластере. Каждая строка в таблице характеризует состав кластера по характеристикам кругов ш = 1; 14 на выполняемом шаге.

Дендограмму следует изучать сверху для каждого круга в своем собственном кластере. Как только вы начинаете двигаться вниз, абразивные круги, которые "теснее соприкасаются друг с другом" объединяются и формируют свой кластер. Каждый узел диаграммы, приведенный выше, представляет объединение двух или более кластеров. Положение узлов по оси ординат определяет расстояние, на котором были объединены инструменты в соответствующие кластеры. Из визуального представления результатов можно сделать предположение, что круги образуют три естественных кластера. Проверим данное предположение, разбив исходные данные методом К–средних на 3 кластера.

В стартовой панели модуля Кластерный анализ выберем окно Кластеризация методом К–средних.

Метод K–средних заключается в следующем: вычисления начинаются с К случайно выбранных наблюдений (в нашем случае К=3), которые становятся центрами групп, после чего объектный состав кластеров меняется с целью минимизации изменчивости внутри кластеров и максимизации изменчивости между кластерами. Каждое следующее наблюдение (K+1) относится к той группе, мера сходства с центром тяжести которого минимальна.

После изменения состава кластера вычисляется новый центр тяжести, в данном случае как вектор средних. Алгоритм продолжается до тех пор, пока состав кластеров не перестанет меняться. Когда результаты классификации получены окончательно, можно рассчитать среднее показателей по каждому кластеру и оценить, насколько они различаются между собой.

В окне «Результаты метода К-средних» нажмем кнопку «Элементы кластеров и расстояния» для просмотра наблюдений, входящих в каждый из кластеров. Полученные результаты представлены в таблице 3.6. Установлено, что полученные результаты метода К –средних совпадают с предварительной классификацией, приведенной в таблице 3.6 по результатам построения вертикальной дендо-граммы. По интегральной оценке режущих способностей кругов в первый кластер вошло десять кругов: все высокопористые круги Norton ш = 1; 7, российский круг 63C40L7V (ш =12) стандартной пористости и два высокопористых кругов фирмы Molemad - 08C046I12V01P02 0=13) и 08C070I12V01P01 0=14). Формально круги К =1 обладают равной режущей способностью. По этой причине возникла необходимость дополнительно протестировать круги по дифференциальным показателям: Ral, EFEmax, HV (таблица 3.7), в которой в скобках приведены категориальные величины для параметра Ral [26] и квалитеты точности TFE для показателя отклоне ний от плоскостности EFEmax [23].

По результатам исследований [56,97] шлифование высокопористыми кругами повышает высоты микронеровностей поверхности на одну–две категориаль ных величин, поскольку на их рабочей поверхности возрастает расстояние между режущими зернами. Одновременно благодаря меньшему их засаливанию снижается тепловыделение в зоне шлифования в 1,5–2 раза. В этих работах отсутствует информация по отклонениям от плоскостности. Все отмеченное в [56,97] имеет место при шлифовании алюминиевых заготовок. Снижение температур шлифования при использовании высокопористых кругов косвенно подтверждает рост микротвердости готовых деталей 1933Т2. С учетом изложенного высокопористые круги первого кластера целесообразно использовать в двух случаях: при чистовом шлифовании алюминиевых заготовок при высоких требованиях к точности их формы, при этом снижается их перегрев сплава 1933Т2, который для него недопустим; при черновом шлифовании на менее трудоемких режимах съема припуска. В К=3 включены круги Norton из карбида кремния зеленого нормальной пористости (8–ой структуры). По сравнению с 1–ым кластером они обеспечивают снижение параметра 1 от 0,269 до 0,173 мкм, т.е. на две категориальных величины. Их наиболее целесообразная область применения – чистовое шлифование деталей 1933Т2 с пониженным объемом срезания металла. На третьей позиции по параметрам 1 и находятся высокопористые круги из синтеркорунда ( =10) и Altos ( =11), которые оказались малоэффективными.

Оценка влияния характеристик абразивных кругов на качество поверхности деталей

Для исследования воздействия размера абразивного зерна при шлифовании абсолютных жестких деталей из сплава 1933Т2 использованы круги =2- 4: 2-39C46K12VP; 3- 39C60K12VP; 4- 39C80K12VP.

Однородности дисперсий приняты для параметров: Да1(0, Д21(0, RqlUi, Ятахіш. Проверка нормальности распределений подтверждена для некоторых опорных длин: tpl(0, р = 50; 65%; tp2(Ji, р = 45; 55%. В связи с изложенным относительно гомоскедастичности и нормальности распределений «своим полем» для анализа зернистости выбран непараметрический метод статистики. Приводимые параллельно оценки гауссового конкурента являются вспомогательными, позволяющими проиллюстрировать их несостоятельность.

В таблице 3.33 представлены предсказанные опорные значения для высотных параметров шероховатости при шлифовании высокопористыми кругами =2; 4. Дополнительно для наглядности закодированная информация по одномерному распределению частот для параметров Ral(ii проиллюстрирована на рисунках 3.12 а,б.

С практической точки зрения следует отметить то, что по прогнозируемым медианам режущие способности высокопористых кругов с зернистостями 46 и 60 признаны равноценными. В связи с этим коэффициенты (2.45) равны Кш = 0,97- 1,00, =2; 3. При высоких требованиях к микронеровностям заготовок шлифование следует выполнять высокопористым кругом 37С80. Это позволит снизить параметры шероховатости:Да14 - на две категориальных величины, а Rmaxi4 – на одну категориальную величину.

Как видно из таблица 3.33, в поперечном направлении, регламентирующем состояние микрорельефа поверхности, преимущества имеют круги c зернистостью 80, о чем свидетельствуют коэффициенты стабильности Ккш = 2,12-2,21 для двух высотных параметров. Из рисунка 3.12,б видно, что величины j0,75 для круга 37С80 ( =4) находятся ниже, чем _у0,25 для двух остальных кругов ( =2,3). Этот круг имеет наименьшие размахи и стандарты отклонении. Таким образом, высокопористые круги в порядке снижения воспроизводимости процесса для параметра Ral представляет следующую возрастающую последовательность по КШ: =4 (37C80), =3 (37C60), =2 (37С46).

На рисунке 3.13 представлены описательные статистики для основного показателя отклонений от плоскостности, предсказанные параметрическим и непараметрическим методами. Из рисунка 3.13 видно, что при увеличении зернистости кругов от 46 ( =2) до 80 ( =4), т.е. при уменьшении размеров зерен, непараметрические опорные значения EFEmax возросли от 7 до 8 мкм, т.е. в 1,14 раза. Причем при зернистостях 60 и 80 получены равные опытные медианы, а все EFEmax(ii, =2; 4 не вышли за пределы поля допуска TFE6. В то же время параметрический метод статистики показал, что в аналогичных условиях варьирование зернистости кругов от 46 до 80 сопровождалось монотонным снижением точности формы деталей из сплава 1933Т2 от 7,53 до 8,8 мкм, т.е. 1,17 раза. Установлено, что на границах интервала наибольшие меры рассеяния предсказаны для высокопористого круга с наиболее мелкими зёрнами 80. Видно, что из трех исследуемых кругов наихудшая воспроизводимость процесса отмечена при зернистости 80 ( =4). Из рисунка 3.13,а видно, что аналогичные результаты показаны при использовании параметрического метода статистики. Таким образом, по мерам положения для всех показателей точности бесспорным лидером является высокопористый круг 37С46 ( =2), а по мерам рассеяния - круг 37С60( =3). Для окончательного решения по выбору зернистости кругов проведено дополнительно исследование в среде нечеткой логики.

Привлечение нечеткой логики позволило получить оценки режущих способностей абразивных кругов по отдельным и совокупным выходным параметрам качеств поверхности деталей. Полученные результаты нечеткого моделирования про иллюстрированы на рисунке 3.14. По параметрам шероховатости наилучшая оценка предсказана при шлифовании кругом 37С80 (=4), а наименьшая – 37С46 (=2). По показателям точности формы все круги получили ОХ-оценку. Наилучшие ые результаты по микротвердости отданы кругам: 37С46 (=2) и 37С80 (=4), которые предсказаны равноценными (d=0,527-0,528), а наихудшим признан круг 37С60 (=3). Наилучшая интегральная оценка эффективности отдана кругу =4 (=0,718), а наихудшая – =2 (=0,554).

Рассмотрим влияние материала зерен абразивных кругов на качество поверхности деталей из сплава 1933Т2 при маятниковом шлифовании инструментами из карбида кремния черного – 37C46I12VP (=1); зеленого – 39C46I12VP (=5), 63C40L7V (GO=12), 08C046I12V01P02 (оо=14) и синтеркорунда - 5SG46K12VXP (оо=10) на базовом режиме, представленном в методике.

Как видим из рисунка 3.15, по параметрам шероховатости наилучшими режущими способностями обладает круг 5SG (со = 10) при d=0,714 а наихудшими -39С(& = 5) при d=0,121. По показателям точности формы наилучшая режущая способность получена при шлифовании абразивным кругом 39C(w = 5) при d= 0,897, а наименьшая - для круга 5SG (со = 10) при d=0,115. По микротвердости оптимальная режущая способность получена при шлифовании инструментом 39СО = 5) при d =0,776, а наихудшая - кругом 5SG (ш = 10) при d=0,16.

Установлено, что при комплексной оценке режущих способностей первое место отдано кругу 08С (& =14) при dЮ,707, а последнее место занял круг SSG (со = 10) при d =0,219. Выявлено, что наилучшие результаты (Х-оценку) по качеству поверхности шлифованных деталей предсказаны для кругов из карбида зеленого (08С и 39С).

Прогнозирование показателей точности формы поверхности деталей с различной податливостью

В данном разделе представлено влияние технологических факторов на макрогеометрию при шлифовании деталей различной податливости. Известно, что точность формы меняет характер посадок, точность подвижных соединений, точность взаимного расположения поверхностей, реальную площадь контакта и жесткость соединений, уровень вибраций, шум в машинах и герметичность соединений [34,38].

Рисунок 4.12,а иллюстрирует поверхности откликов точности формы поверхностей EFEq=f (A,B) и их изолинии на черновом режиме шлифования деталей абсолютной жесткости: С= =+1,0 и (А,В) є [-1,0;+1,0]. Представленная поверхность отклика для чернового шлифования характеризуется тройной кривизной. Участок поверхности: А є [-0,2;+1,0], В є [0;+1,0] (примерно первый квадрант) имеет выпуклость с градиентом роста в направлении к точке (+0,8; +0,5; +1,0; +1,0), в которой достигается максимум EFEqmax=8,35 мкм (TFE6). При этих условиях шлифования уменьшение фактора В от +0,5 до -1,0 (sп от 8 до 2 мм/дв.ход) предсказало снижение EFEq до абсолютного минимума - до 5 мкм (TFE5), т.е. на 1 квалитет точности.

Рисунок 4.12,б иллюстрирует ожидаемую поверхности отклика EFEq=f{A,B) при постоянных факторах C=D=-1,0, которые соответствуют чистовому этапу шлифования деталей абсолютной жесткости. Представленная на них поверхность отклика сохранила идентичный характер для черного шлифования, но экстремальные величины EFEq предсказаны в новых точках плана. В четвертом квадранте поверхность отклика характеризуется ростом EFEq до 8,1 мкм. В первом и третьем квадрантах, напротив, предсказаны его минимумы в пределах 5,2-5,4 мкм. С учетом трудоемкости чистовое шлифование следует вести с наибольшими подачами А=В=+1,0 при минимальных C=D=-1,0. Наименьший припуск z=0,l мм обеспечивает съем дефектного слоя предшествующей обработки.

Как видно из рисунка 4.13,а поверхность отклика q= f (C,D) представляет плоскость, имеющую спуск к началу координат С=D=-1. Наибольшая точность формы q=4 мкм (TFE4) имеет место при C=D=-1,0 (A=B=+1,0). Изолинии в виде прямых имеют наклон под углом близким к 45о и отражают градиент роста от координаты: C=D=-1,0 в направлении к точке C=D=+1,0. При этом отклонения EFEq возрастают почти в 3 раза.

При чистовом шлифовании деталей абсолютной жесткости отклонения (рисунок 4.13,б) поверхность отклика сохранила форму плоскости, но изолинии получили другое расположение и отражают рост отклонений формы от координаты: С=+1,0; D=-1,0 – к точке С=-1,0; D=+1,0. При этом градиент роста показателя q снизился до 1,5 раз. Благоприятный эффект снижения показателя q с ростом глубины резания вероятно связан с возрастанием упругого натяга в звене «круг– деталь» и снижением вибраций при врезании и выходе инструмента из контакта с заготовкой.

Из таблицы A2 видно, что при шлифования деталей с поперечной жестко стью самое значимое влияние на показатели EFEmax, EFEa, EFEq оказывает глубина резания (С). В регрессиях отсутствует операционный припуск (D). Установлено (рисунок 4.14), что поверхности откликов по всем показателям точности имеют практически аналогичную форму, которая характеризуется ростом всех показателей от точки (-1,0;-1,0) до точки (+1,0;+1,0). В этих точках наименьшие величины отклонений предсказаны: для EFEmax = 3,27(TFE4) мкм, для EFEa = 2,28 (TFE3) мкм, для EFEq = 2,62 (TFE3) мкм, а наибольшие: EFEmax = 16,68 (TFE8) мкм, EFEa = 12,96 (TFE7) мкм, EFEq = 14,38 (TFE7) мкм, где TFE квалитет точности. Наибольшие вогнутости поверхностей имеют место для вспомогательных показателей точности. Снижение С и В от +1,0 до -1,0 приводит к повышению точности формы шлифования до 4-ех квалитетов, т.е высокожесткие детали в поперечном направлении следует шлифовать с минимальными поперечными подачами и глубинами резания.

Рисунок 4.15 иллюстрирует влияние С и Е на показатель при черновом (A=B=D=+1,0) и чистовом (A=B=D=-1,0) этапах шлифовании деталей с поперечной (рисунок 4.15,а,в) и продольной (рисунок 4.15,б,г) жесткостями. Установлено, что на обоих этапах шлифования минимальные предсказаны для деталей с поперечной жесткостью. На черновом этапе различие по точности формы составило один TFE, а на чистовом шлифовании – в пределах TFE6. Выявлено, что оптимальные режимы шлифования имеют место: при j=1 – C=E=-1,0 на черновом этапе, С=+1,0, Е=-0,5 на чистовом этапе; при j=2 – C=0,0, E=+1,0 на черновом этапе, С=-0,4, Е=+0,5 на чистовом этапе.

Таблица 4.7 представляет средние показателей макрогеометрии для абсолютных (/), поперечных (/1) и продольных (/2) жестких деталей. Они свидетельствуют, что величины показателей EFEmax,EFEa,EFEq оказались наименьшими для продольно (/-2) жестких деталей, а наибольшими при шлифовании абсолютно жестких деталей. Различие по точности для деталей абсолютной жесткости ( ) и переменной податливости составило один TFE: наибольший показатель точности формы превысил вспомогательные аналоги - в 1,82-1,84 раза для EFEa и в 1,62-1,64 раза для WEq. Возможно увеличение точности формы податливых деталей обусловлено снижением их вибраций при шлифовании. По этой причине наибольшее снижение показателей точности предсказано при продольном направлении ее варьирования.