Введение к работе
Актуальность исследования. Высокое качество машин, приборов и других изделий обеспечивается в технологическом процессе их производства, технической основой которого являются металлообрабатывающие станки, режущий инструмент и средства измерений. В условиях современной рыночной экономики от машиностроительного производства требуется частое обновление выпускаемой продукции. Обеспечение этих требований к изготовлению изделий машиностроения достигается в условиях серийного и единичного производства.
На приборостроительных и машиностроительных предприятиях развито инструментальное производство (ИП), являющееся основой обеспечения точности и производительности изготовления деталей в технологическом процессе. ИП характеризуется единичностью, серийностью, а также высокими требованиями к точности изготовляемых изделий (сверл, зенкеров, разверток, фрез, протяжек, зубонарезного и резьбообразующего инструментов, инструментов для станков с ЧПУ, деталей прецизионной технологической оснастки и большого многообразия калибров для контроля линейных размеров изделий) с минимальными допусками на диаметр 1,0…5 мкм. От 30 % до 80 % общих затрат труда составляют операции выполняемые в технологическом процессе на многочисленные измерения линейных размеров высокоточных деталей ИП, осуществляющих в большинстве случаев вручную, как в процессе обработки на металлорежущих станках, так и на операциях послеоперационного контроля.
Однако для операции круглого шлифования в настоящее время отсутствуют управляющие приборы (УП), удовлетворяющие техническим требованиям инструментальных производств. Ограничен диапазон абсолютных измерений УП (80 мкм при цене деления 1,0 мкм; 0,4 мм – при цене деления 5 мкм без переналадки), значительное время (5 и более минут) затрачивается на его переналадку на другой размер, наличие динамической погрешности измерения
от 5 до 10 мкм (при одноконтактном измерении) при переходе наконечника с гладкой на прерывистую поверхность (и наоборот), полное измерительное усилие контактного устройства при контроле достигает 1,0…4,0 Н и более, недостаточная точность обработки деталей на станках при использовании двухконтактного средства измерения – 6…8 мкм, а при одноконтактном – 9…12 мкм.
В 2009 г. проект по разработке управляющего прибора получил финансирование Фонда содействия развитию малого предпринимательства в научно-технической сфере по программе У.М.Н.И.К., в 2010 году проект получил грант по программе СТАРТ и было организовано малое предприятие по
217 ФЗ - ООО «Политех-Прибор» для коммерциализации полученных результатов.
Объект исследования: управляющие приборы контроля геометрических параметров при круглом шлифовании, круглошлифовальные станки, упругая деформация деталей с прерывистыми поверхностями, контактные напряжения от полного измерительного усилия.
Целью работы является повышение точности и производительности операции круглого шлифования деталей с прерывистыми поверхностями на основе применения управляющих приборов в инструментальном производстве новых принципов построения и совершенствования механизмов базирования изделий на станке.
Задачи работы. Для достижения указанных целей необходимо было решить следующие задачи:
повысить точность обработки изделий на круглошлифовальных станках за счет компенсации основных составляющих первичных погрешностей технологической системы;
повысить производительность за счет сокращения промежуточных измерений посредством использования управляющих приборов с учетом особенностей инструментального производства;
определить размер упругой деформации обрабатываемых деталей в процессе шлифования и ее влияние на погрешность измерения одноконтактным методом;
разработать алгоритм, программу и средство управления работой первичного преобразователя с целью уменьшения погрешности измерения;
разработать и исследовать новые принципы построения первичных преобразователей, обеспечивающие измерения линейных размеров деталей (режущего инструмента) с прерывистой поверхностью с малым измерительным усилием и минимальной погрешностью измерения при переходе наконечника с гладкой поверхностью на прерывистую и наоборот;
разработать и исследовать схемы измерения измерительного устройства управляющего прибора к круглошлифовальным станкам;
повысить точность позиционирования изделий на круглошлифовальном станке с цилиндрической пинолью задней бабки;
провести исследования работы первичного преобразователя;
автоматизировать существующий высокоточный, но низкопроизво-дительный метод пробных проходов и промеров с целью повышения его производительности.
Методы исследований. В работе использовались основные положения теории методов измерения, теории погрешностей средств измерения, теории упругости, теории трения и изнашивания, основ технологии машиностроения, материаловедения, основ проектирования приборов и систем, основ взаимозаменяемости, основ точности металлорежущих станков и инструментов, государственных стандартов Российской Федерации в области режущего инструмента и теории точности. Экспериментальные исследования проводились на поверенных и аттестованных измерительных приборах и оборудовании. Виртуальное математическое моделирование проводилось в специализированных САПР программах.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработан высокоточный метод технологии обработки и измерений изделий на круглошлифовальных станках с управляющими приборами, обеспечивающий изготовление изделий с суммарной погрешностью в пределах
1 – 2 мкм за счет компенсации первичных погрешностей обработки.
По данному методу производится автоматический кратковременный
(на 2 – 5 с) отвод шлифовального круга для обеспечения точности измерения геометрических параметров при отсутствии упругой деформации и вибрации обрабатываемой детали и элементов станка.
Этот метод обеспечивает одновременно и увеличение производительности технологии изготовления изделий (в 1,5 – 2 раза) за счет автоматизации измерения в процессе обработки управляющим прибором;
Разработан алгоритм автоматизации измерения геометрических размеров изделий одноконтактным управляющим прибором к круглошлифовальным станкам;
Разработаны и исследованы новые принципы построения и конструктивного исполнения первичных преобразователей к управляющим приборам, позволяющие свести к минимуму разность статической и динамической суммарной погрешности измерения, заключающиеся в отсутствии упругих элементов, малой подвижной массой измерительного стержня (5 – 10 г), соблюдением принципа Аббе, наличием фрикционного элемента и импульсным управлением перемещением измерительного стержня (патент на изобретение №2316420 от 10.02.2008 г.);
Предложена впервые новая схема измерения размеров изделий на круглошлифовальных станках, заключающиеся в том, что измерительная линия одноконтактного управляющего прибора проходит через оси контролируемой детали и шлифовального круга, что позволяет расширить его функциональные возможности для измерения изделий диаметром менее 3 мм (от 0,5 мм и более).
Практическая ценность работы определяется тем, что она является научной основой для проектирования приборов управляющего контроля диаметра наружных цилиндрических прерывистых поверхностей (менее 10 мм) и позволяет автоматизировать технологический процесс круглошлифования, повысить точность обрабатываемых изделий и производительность обработки в
1,5 – 2 раза.
На основе предложенных метода и способов, а также изготовленному опытному образцу управляющего прибора, апробация которого проводилась на круглошлифовальном станке, был получен значительный экономический эффект на производстве.
Достоверность результатов работы обоснована тем, что теоретические исследования были экспериментально проверены в лабораторных и производственных условиях (предприятия) при использовании аттестованной метрологической аппаратуры, в использовании проверенной на практике теории упругости, теории точности, теории методов измерения, теории погрешностей средств измерения.
Основные положения, выносимые на защиту:
Метод повышения точности обработки изделий на круглошлифовальных станках с управляющими приборами;
Алгоритм, программа и средство для одноконтактных управляющих приборов;
Новые принципы построения управляющих приборов к шлифовальным станкам;
Способы уменьшения погрешностей изготовления изделий на круглошлифовальных станках;
Теоретические и экспериментальные исследования технических характеристик первичного преобразователя;
Методика определения влияния сил резания на погрешность измерения деталей в процессе обработки на круглошлифовальных станках.
Личный вклад автора. Научные результаты, выносимые на защиту, получены непосредственно автором. Автором лично выполнен анализ точностных характеристик современных круглошлифовальных станков и существующих управляющих приборов к ним; определены составляющие суммарной погрешности при обработке изделий на круглошлифовальных станках; разработан, спроектирован и изготовлен управляющий прибор на основе новых принципов построения; предложены математические модели определения влияния сил резания на погрешность обработки; разработана программа для микропроцессорного блока управления и проведены экспериментальные работы по определению достоверности теоретических расчетов.
В соавторстве разработана принципиальная схема управляющего прибора, составлены методики проведения экспериментальных исследований.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в среде научной общественности России на научно-технических и международных конференциях, форумах, выставках, конкурсах: I и II Всероссийская научно-техническая конференция «Россия молодая: передовые технологии – в промышленность» г. Омск, I Форум молодых ученых Сибирского федерального округа «Треугольник знаний» - образование, наука и инновации» г. Томск, Всероссийский форум «Селигер-2009» и «Селигер-2010», форуме Союза машиностроителей России Тверская обл., Сибирский международный форум «Интерра-09» г. Новосибирск, результаты работы демонстрировались на выставках «ПРОМТЕХЭКСПО-2009», «ВТТВ-2009, 2011», Международном экономическом форуме-2010 «Человеческий капитал – ключевой ресурс модернизации Российской экономики», «Инновации года - 2010» г. Омск, в 100 лучших проектах России «Зворыкинского проекта» в 2009 г. на портале , участник «Конкурса русских инноваций» , конкурса i5 , где получил положительную оценку,
а также докладывались и обсуждались в Омском машиностроительном конструкторском бюро (г.Омск, апрель 2009г.), Агрегатном заводе (г. Омск, ноябрь 2009 г.), Авиастроительном заводе им. Чкалова (г. Новосибирск, сентябрь 2009г.) среди ведущих специалистов предприятия и ОмГТУ где получил положительные отзывы и одобрения. В 2011 году прошел экспертизу в Летней Школе Академпарка г. Новосибирск, где получил диплом как «Лучший иногородний проект», полуфиналист конкурса на Зворыкинскую премию 18-20 ноября 2011 г. (г. Москва).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 научных работ, в том числе 5 работы в изданиях, рекомендуемых ВАК для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций; два патента на изобретения: № 2316420 «Устройство для активного контроля линейных размеров изделий» от 10.02.2008 г. и № 2397061 «Устройство для активного контроля среднего диаметра резьбы деталей на резьбошлифовальном станке» от 20.08.2010 г., работает сайт в интернете созданный автором. Работа соискателя отражалась в журналах и телевидении.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 72 наименования, и 13 приложений, включающих результаты экспериментальных исследований, электронные схемы, программу, акты внедрения в учебный процесс и промышленные производства, дипломы и сертификаты. Основной текст изложен на 98 машинописных страницах, включая 3 таблицы, 49 рисунков и фотографий.
В конце глав имеются выводы, а в конце работы – заключение.
