Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние исследований динамики механической обработки и методов обеспечения качества процесса шлифования с учетом динамических явлений зоне резания 16
1.1. Развитие подходов к изучению динамических явлений при резании материалов 23
L.2. Правка круга как способ обеспечения качества процесса шлифования абразивным инструментом 27
1.3. Современное состояние исследований динамики станочных систем и методов обеспечения качества обработки. Задачи исследования
ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование обеспечения качества обработки внутренним шлифованием на основе оптимального сочетания динамических параметров формообразующих механических систем станка 36
2.1. Анализ особенностей динамических явлений при обработке поверхностей внутренним шлифованием 36
2.2. Принципы обеспечения качества процесса обработки на основе оптимального сочетания параметров формообразующих механических систем станка 41
2.3. Обобщенная динамическая модель процесса правки 53
2.3.1. Постановка задачи исследования динамики процесса правки 53
2.3.2. Обобщенная динамическая модель процесса правки 56
2.3.3. Обобщенные силы правки 59
2.3.3.1. Взаимодействие абразивного зерна с вершиной правящего инструмента 59
2.3.3.2. Выражение обобщенной силы в динамической модели 63
2.4. Обобщенная динамическая модель процесса внутреннего шлифования 66
2.4.1. Базовые предпосылки описания динамики процесса внутреннего шлифования 66
2.4.2. Обобщенная динамическая модель процесса внутреннего шлифования . 68
2.4.3. Уравнения движения динамической системы шлифования 73
2.5. Устойчивость динамических систем шлифования и правки 79
2.5.1 .Устойчивость динамической системы шлифования 79
2.5.1.1. Общие положения теории устойчивости применительно к исследованию динамической системы шлифования 79
2.5.1.2. Устойчивость равновесного положения динамической системы 83
2.5.1.3. Устойчивость движений динамической системы шлифования по первому приближению 89
2.5.2. Устойчивость динамической системы правки 92
2.6. Идентификация колебательного процесса в зоне резания 101
2.6.1. Спектральные поверхности колебательного процесса 104
2.6.2. Характеристики сечений и систем сечений спектральной поверхности 108
2.6.3. Реализация способа идентификации в программной среде Delphi 112
2.7. Выводы о возможности обеспечения качества процесса обработки на основе оптимальной динамической настройки формообразующих групп станка 117
ГЛАВА 3. Компьютерная динамическая модель процесса правки абразивного инструмента 123
3.1. Модель динамики процесса правки в условиях внутреннего шлифования . 125
3.1.1. Динамическая модель процесса правки с учетом конструктивных особенностей механических систем абразивного круга и правящего инструмента 125
3.1.2. Уравнения движения динамической системы правки 126
3.2. Модель возмущенного движения ПС круга и правящего инструмента 131
3.2.1. Двухмассовая связанная подсистема на фазовой плоскости 131
3.2.2. Анализ движений в связанной подсистеме между импульсами сил 133
3.2.3. Расчет параметров затухающего движения в связанной подсистеме . 135
3.2.4. Движения в подсистеме под действием импульса силы при взаимодействии вершины алмазас абразивным зерном 142
. 3.3. Компьютерная динамическая модель процесса правки 146
3.3.1. Структурная схема компьютерной инструментальной системы правки 148
3.3.2. Модель поверхностного слоя шлифовального круга 150
3.3.3. Модель наладки на процесс правки 154
3.3.4. Модель технологического движения в станке с учетом колебаний ФМС 158
3.3.5. Модель силового взаимодействия абразивного зерна с вершиной правящего инструмента 162
3.3.6. Модель колебательных движений ПС круга и вершины правящего инструмента под действием возбуждающего эффекта процесса правки 168
3.3.7. Реализация компьютерной инструментальной системы в программной среде Delphi 176
ГЛАВА 4. Исследование взаимосвязи качественных и динамических факторов процесса правки 179
4.1. Оценочные показатели качества правленого поверхностного слоя абразивного инструмента 182
4.2. Динамический образ поверхностного слоя абразивного инструмента 189
4.3. Компьютерные исследования связи качественных показателей процесса правки с динамическими параметрами станочной системы 197
4.3.1. Динамические параметры ФМС абразивного и правящего инструментов 198
4.3.2. Влияние параметров ФМС правящего инструмента на качество процесса правки 199
4.3.3. Исследование связи показателей качества процесса правки с интенсивностью колебательного процесса 213
4.3.4. Исследование связи показателей качества процесса правки с колебательным процессом по его спектральным характеристикам 222
4.4. Экспериментальные исследования динамики процесса правки абразивного инструмента 240
4.4.1. Методика проведения экспериментальных исследований 241
4.4.2. Исследование влияния вылета державки правящего инструмента на показатели качества процесса правки 248
4.4.3. Исследование связи показателей качества процесса правки с колебательным процессом 252
4.5. Выводы о возможности повышения качества процесса правки на основе оптимальной динамической настройки системы правки 268
ГЛАВА 5. Исследование связи колебаний динамической системы шлифования и качества обработки с параметрами формообразующих групп инструмента и изделия 280
5.1. Анализ границ устойчивости самовозбуждающихся вибраций 280
5.1.1. Стационарные автоколебательные режимы 281
5.1.2. Критерии устойчивости стационарных режимов 284
5.1.3. Критерии выделения доминирующей подсистемы динамической системы шлифования 288
5.1.4. Расчет границ устойчивости стационарных режимов 291
5.2. Исследование динамики шлифования в условиях доминирующей подсистемы инструмента 294
5.2.1. Связь устойчивости автоколебаний с параметрами подсистемы инструмента 295
5.2.2. Распределение амплитуд автоколебаний на частотах нижнего и верхнего предельных циклов 300
5.3. Влияние параметров привода инструмента на динамику шлифования 303
5.3.1. Модель динамики шлифования с учетом характеристик привода инструмента 304
5.3.2. Влияние системы "двигатель - шлифовальная головка" на динамику шлифования 3 07
5.4. Исследование возможности коррекции параметров крутильной
подсистемы инструмента 312
5.5. Машинное моделирование колебаний инструмента и изделия в зоне резания 316
5.5.1. Машинные уравнения и методика исследований 316
5.5.2. Динамическое взаимодействие подсистем инструмента и изделия 322
5.6. Связанность подсистем инструмента и изделия как фактор управления динамикой шлифования 328
5.7. Экспериментальные исследования динамики процесса внутреннего шлифования 332
5.7.1. Средства коррекции динамических характеристик подсистем инструмента и изделия 332
5.7.2. Описание экспериментальной установки 336
5.7.3. Методика проведения экспериментальных исследований 338
5.7.4. Исследование влияния динамического взаимодействия ФМС шлифования на динамику обработки и качество поверхности 341
5.8. Выводы о возможности повышения качества обработки на основе оптимальной динамической настройки системы шлифования 352
ГЛАВА 6. Научные основы формирования оптимальных динамических свойств станочной системы по критерию качества процессов обработки 358
6.1. Взаимосвязь качественных и динамических факторов процессов обработки 360
6.2. Стратегия оптимальной динамической настройки станочной системы по критерию качества процессов обработки 367
6.2.1. Основные факторы оптимальной динамической настройки 368
6.2.2. Оценка свойств колебательного процесса 370
6.2.3. Выделение наиболее значимых характеристик колебательного процесса по связи с качественными показателями обработки 380
6.2.4. Концепция коррекции колебательного процесса по критерию обеспечения качества процессов обработки 385
6.2.5. Разработка стратегии оптимальной динамической настройки станочной системы 391
6.3. Показатели динамической настройки станочной системы 400
6.3.1. Классификация динамических связей в формообразующих подсистемах станка 401
6.3.1.1. Связи в динамической системе правки 402
6.3.1.2. Связи в динамической системе шлифования 411
6.3.2. Показатели динамической настройки системы правки 414
6.3.3. Показатели динамической настройки системы шлифования 417
6.3.4. Оценка устойчивости динамической системы правки по показателям динамической настройки 418
6.4. Практические способы реализации оптимальной динамической настройки станочной системы 423
6.4.1. Динамическая настройка системы шлифования по критерию качества обработанной поверхности 423
6.4.2. Динамическая настройка системы шлифования по критерию скорости съема материала 428
6.4.3. Динамическая настройка системы правки по критерию качества правленого поверхностного слоя абразивного инструмента 430
6.5. Выводы 433
Заключение 435
Библиографический список
- Правка круга как способ обеспечения качества процесса шлифования абразивным инструментом
- Принципы обеспечения качества процесса обработки на основе оптимального сочетания параметров формообразующих механических систем станка
- Динамическая модель процесса правки с учетом конструктивных особенностей механических систем абразивного круга и правящего инструмента
- Компьютерные исследования связи качественных показателей процесса правки с динамическими параметрами станочной системы
Введение к работе
Шлифование является одним из наиболее распространенных способов получения высоких качественных показателей поверхностей изделий. Из существующих разновидностей шлифования внутреннее наиболее трудоемко и составляет основную часть операций в ряде отраслей машиностроения при обработке ответственных и высокоточных деталей машин.
Вместе с тем, высокая скорость потери инструментом формы и режущих свойств в условиях внутреннего шлифования приводит к необходимости включения в цикл обработки изделия как минимум одной правящей операции. Поэтому технологические показатели процесса шлифования оказываются зависимыми от состояния рабочего поверхностного слоя абразивного инструмента, который формируется на операции правки круга. Исследованиями [92,93,95,196 и др.] установлено, что за счет некачественной правки круга уровень микронеровностей шлифуемой поверхности может вырасти на один и более порядков.
Следует отметить, что на этапах правки круга и шлифования изделия решаются разные технологические задачи, но оба процесса обработки объединяет общая проблема - связь технологических показателей с динамическими явлениями, возникающими за счет возбуждающего характера процесса обработки.
Динамические явления протекают непосредственно в зоне резания, где формируется обрабатываемая поверхность, в связи с чем оказывают значимое влияние на весь спектр показателей обработки - от показателей, определяющих условия резания и скорость съема материала, до показателей, отражающих макро- и микрогеометрические свойства обработанных поверхностей.
Роль динамических явлений при механической обработке еще не до конца изучена, однако уже пройден тот научный этап, когда к ним относились как к сугубо вредному фактору. На современном этапе динамических исследований имеет место дифференцированный подход к ним как к явлениям, оказывающим как отрицательное, так и, при определенных условиях, положи-
тельное влияние на показатели обработки вплоть до внесения дополнительной вибрации в зону резания.
Несмотря на существенные достижения в области динамики станков, проблема обеспечения качества процесса обработки по динамическому критерию остается нерешенной. Обеспечение надежности получения требуемых показателей качества поверхностей как по отдельным изделиям, так и по стабильности показателей качества партии изделий, достигается традиционно экстенсивным способом - путем ограничения режимов обработки с целью снижения вероятности возникновения детерминированной вибрации в зоне резания. Ограничение технологических режимов путем ориентирования на текущее динамическое состояние станка без поиска возможности его улучшения не решает задачу повышения эффективности обработки, что сужает возможность получения конкурентоспособной станко- и машиностроительной продукции
С другой стороны, стремление проектировать отдельные наиболее ответственные узлы станка с улучшенными динамическими свойствами не всегда приводит к желаемому результату, поскольку не в полной мере учитывается взаимодействие и способность формообразующих механических систем (ФМС) станка создавать при резании иные, отличные от ожидаемых динамические условия обработки. Это связано с проявлением нелинейных свойств процесса резания и функциональных элементов станка, что существенным образом влияет на формирование динамических свойств станочной системы.
Вместе с тем, как показывают исследования [20,27,90,110,272 и др.], в технологическом оборудовании имеются значительные резервы улучшения динамического качества станков на основе учета нелинейных связей ФМС при резании, что целесообразно использовать для повышения стабильности резания и надежности получения требуемых показателей качества поверхностей, либо для интенсификации процесса обработки.
Отмеченные особенности взаимосвязи процесса резания с сопровождающими их динамическими явлениями позволили обозначить проблему обеспечения качества обработки на основе синтеза оптимальных динамиче-
ских свойств станочной системы в зоне резания как назревшую и актуальную научно-практическую проблему. Решение указанной проблемы требует нового подхода к взаимодействию ФМС станка как связанных процессом резания подсистем с выходом на создание научно-информационной поддержки рационального конструирования станочного оборудования с целью обеспечения стабильности и качества обработки, что наиболее важно для автоматизированных станков с минимальным участием обслуживающего персонала.
В связи с изложенным сформулирована цель исследования, которая заключается в обеспечении стабильности и качества обработки внутренним шлифованием путем формирования оптимальных динамических свойств станочной системы на основе учета особенностей динамического взаимодействия ФМС абразивного круга, изделия и правящего инструмента при резании.
Для достижения поставленной цели в первой главе диссертации на основе анализа работ по динамике резания, современного представления о роли динамических явлений при правке абразивных инструментов и шлифовании изделий, исследований связи показателей процессов правки и шлифования с сопровождающими их динамическими явлениями и современных методов моделирования динамических явлений в станках поставлены и сформулированы основные задачи исследования.
Вторая глава посвящена обоснованию принципов обеспечения качества процессов правки и шлифования путем синтеза оптимальных динамических свойств станка в зоне резания на основе учета специфических особенностей динамического взаимодействия ФМС станка при резании. Определено, что создание оптимальных динамических свойств станка требует исследования в едином комплексе следующих основных факторов обработки: качественных показателей процессов правки и шлифования; колебательных процессов, сопровождающих обработку; динамических свойств станочной системы в зоне резания. Здесь же описаны принципы разработки и приведены обобщенные динамические модели процессов правки и шлифования, в основе которых лежит процесс случайного высокочастотного хрупкого ударного взаимодействия (с разрушением) фрагментов поверхностного слоя (ПС) абразивного круга
с правящим инструментом при правке и процесс трения скольжения в контакте инструмента с изделием при шлифовании, реализуемый в виде нелинейных направленных связей, формируемых процессом резания.
На основе качественного анализа устойчивости динамических систем процессов правки и шлифования установлено, что она связана с параметрами ФМС станка, что открывает перспективу осуществления целенаправленного изменения динамических свойств станочной системы с целью коррекции состава колебательного процесса в зоне резания по критерию обеспечения наилучших качественных показателей обработки. Для оценки соотношения детерминированной и стохастической составляющей колебательного процесса и других его свойств разработана система идентификационных показателей и визуализации процесса, в основе которой лежит математический анализ форм сечений основной и дополнительной спектральных поверхностей.
В третьей главе на основе созданной ранее обобщенной модели разработана динамическая модель процесса правки с учетом специфических особенностей конструктивного исполнения ФМС широкораспространенного внутришлифовального полуавтомата мод.ЗМ227ВФ2 и приведены основные алгоритмы и компоненты компьютерной динамической модели процесса правки, включающей: модель ПС абразивного круга; модель технологического движения в станке; модель силового взаимодействия абразивного круга с правящим инструментом; модель обновления фрагментов ПС круга за счет процесса правки с учетом динамических явлений в зоне резания; динамическую модель процесса правки; модель колебательных движений круга и правящего инструмента. На основе апробации компьютерной модели при широком варьировании характеристик абразивного круга, режимов правки и параметров динамической системы станка получена удовлетворительная оценка по согласованию результатов моделирования с общепризнанными закономерностями теории и динамики процесса правки.
В четвертой главе приведены результаты компьютерного моделирования и экспериментального исследования взаимосвязи качественных и динамических факторов процесса правки. На основе варьирования динамическими
параметрами подсистем правки, достигаемого за счет изменения вылета державки с правящим инструментом, исследована связь между качественными показателями ПС круга, исправляющей способностью процесса правки, сопровождающим правку колебательным процессом, динамическими свойствами ФМС станка. Полученные результаты на уровне компьютерной модели и эксперимента подтвердили возможность управления качественными показателями процесса правки и получаемыми показателями качества ПС круга за счет комплекса связанных факторов: «качественные показатели процесса правки» - «параметры станочной динамической системы» - «интенсивность и амплитудно-частотный состав колебательного процесса в зоне резания». По результатам исследований определены подсистемы станка, ответственные за возбуждение детерминированных форм колебаний в зоне резания и с которыми проявляется наиболее сильная корреляция качественных показателей процесса правки.
В пятой главе на уровне теоретических и экспериментальных исследований рассмотрены вопросы динамики процесса внутреннего шлифования и ее влияния на показатели качества шлифованной поверхности. На основе ряда динамических моделей выполнен анализ устойчивости динамической системы шлифования и автоколебательных движений, определены доминирующие формы колебаний в зоне резания и их связь с параметрами подсистем инструмента, изделия и крутильных подсистем приводов, выявлен механизм образования и поддержания автоколебательных движений. Теоретически установлены и экспериментально подтверждены области сочетаний параметров подсистем инструмента и изделия, в которых можно эффективно управлять устойчивостью и интенсивностью автоколебаний на частоте неблагоприятной формы изгибных колебаний оправки с кругом. Разработаны критерии качества шлифованной поверхности и производительности обработки, которые целесообразно использовать для управления динамическими свойствами системы шлифования и амплитудно-частотным составом колебательного процесса с целью повышения эффективности обработки, сформулированы принципы
управления динамикой обработки на основе механизма связанностей динамической системы шлифования.
Шестая глава посвящена разработке методологии оптимальной динамической настройки ФМС станочной системы по критерию качества процессов правки и шлифования, включающая: концепцию коррекции колебательного процесса в зоне резания на операциях правки и шлифования; научную основу реализации оптимальной динамической настройки путем коррекции связанностей внутри подсистем и между ФМС станка; критерии оптимальной динамической настройки станочной системы; показатели оценки качества динамической настройки; принципы и средства реализации оптимальной динамической настройки. На конкретных примерах показаны приемы реализации оптимальной настройки станочной системы по критериям качества шлифованной поверхности, скорости съема материала изделия и качества рабочего слоя ПС абразивного круга, в том числе с использованием запатентованных устройств коррекции динамических характеристик станка.
В работе получены новые научные результаты, которые заключаются в обосновании принципов обеспечения качества внутреннего шлифования на основе совместного анализа взаимосвязи качественных и динамических факторов процессов правки и шлифования с учетом нелинейного взаимодействия ФМС изделия, абразивного и правящего инструментов, связанных процессом резания. Новизной обладают следующие положения:
динамические модели процессов правки и шлифования, основанные на учете взаимодействия формообразующих механических систем посредством нелинейных связей, формируемых процессом резания;
модель стохастических автоколебательных движений абразивного и правящего инструментов, учитывающая ударный характер взаимодействия правящего инструмента с абразивным материалом;
компьютерная модель формообразования поверхностного слоя абразивного круга с учетом динамических явлений в зоне резания, включающая модель абразивного инструмента, модель силового взаимодействия ФМС, динамическую модель процесса правки и пространственных колебательных дви-
жений абразивного и правящего инструментов, модель формирования фрагментов рабочего слоя абразивного круга;
система критериев и показателей колебательного процесса при механической обработке, основанная на математическом описании форм сечений спектральных поверхностей;
принципы коррекции колебательных свойств станочной системы, основанные на анализе причинно-следственной связи между качественными и динамическими факторами обработки;
выявленные взаимосвязи качественных и динамических факторов обработки, устанавливающие соответствие между качеством правленого рабочего слоя круга, шлифованной поверхности, параметрами сопровождающего обработку колебательного процесса и динамическими свойствами ФМС изделия, абразивного и правящего инструментов;
методология динамической настройки станка, позволяющая сформировать оптимальные динамические свойства станочной системы по критерию обеспечения качества процессов правки и шлифования.
Практическая значимость работы заключается в:
создании теоретико-экспериментальной базы по взаимосвязи качественных и динамических факторов процессов правки и шлифования для формирования направлений коррекции колебательного процесса и оптимальных динамических свойств станочной системы по критерию качества обработки;
разработке способа идентификации колебательного процесса при резании материалов, позволяющего оценить качественные изменения в его составе и увязать их с параметрами ФМС;
создании компьютеризированной измерительной системы, регистрирующей характеристики профиля абразивного инструмента и сопровождающий обработку колебательный процесс и выполняющей автоматизированную обработку и анализ экспериментальных данных;
разработке методики оптимальной динамической настройки ФМС с целью формирования оптимальных динамических свойств станочной системы в области зоны резания;
разработке практических способов реализации оптимальной динамической настройки станочной системы на этапах правки и шлифования по критерию качества обработки, отмеченных авторскими свидетельствами и патентом;
разработке программного обеспечения по моделированию процесса формообразования поверхностного слоя правящегося абразивного инструмента с учетом динамических факторов обработки.
Результаты работы в виде методик оценки колебательного процесса при механической обработке и оптимальной динамической настройки механизма правки применены на ОАО "Саратовский подшипниковый завод", ОАО "Микрошлиф", СП "Тантал - ЕОС Normalien" и др. Разработанные компьютеризированные измерительные системы регистрации колебаний и рельефа абразивного инструмента и обработки данных в комплекте с созданным программным обеспечением используются на кафедре "Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в машино- и приборостроении " СГТУ в научно-практической работе студентов, в дипломном проектировании и в научных исследованиях аспирантов.
Основные результаты работы получили апробацию в период с 1980 по 2003 годы на научно-технических конференциях различного ранга по динамике технологических систем, по процессам абразивной обработки, абразивным инструментам и материалам, по качеству машин, по нелинейным колебаниям механических систем, по компьютерным технологиям в городах Куйбышеве (Самаре), Тольятти, Ростове-на-Дону, Волжском, Нижнем Новгороде. Работа обсуждалась на научных семинарах кафедры "Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в машино- и приборостроении " СГТУ (Саратов).
По теме диссертации опубликована 61 работа, в том числе одна монография, 2 авторских свидетельства и патент на изобретение.
В соответствии с изложенным на защиту выносятся следующие научные положения:
Принципы формирования оптимальных динамических свойств ФМС абразивного круга, изделия и правящего инструмента с учетом их нелинейного взаимодействия при резании по критерию обеспечения качества обработки.
Нелинейные динамические модели процессов правки и шлифования, основанные на учете особенностей динамического взаимодействия ФМС при резании.
Компьютерная модель процесса формообразования поверхностного слоя абразивного инструмента под влиянием возбуждаемых при резании динамических процессов.
Способ идентификации колебательного процесса при механической обработке, позволяющий эффективно оценивать и выявлять его свойства, основанный на математическом описании форм спектральных и полосных сечений основной и дополнительной спектральных поверхностей и анализе корреляционной связи между полосными сечениями.
Выявленные взаимосвязи между качественными и динамическими факторами процессов правки и шлифования и области оптимального сочетания параметров ФМС станка при резании.
Методология оптимальной динамической настройки станочной системы по критерию обеспечения качества процессов правки и шлифования.
Автор выражает глубокую признательность коллективу кафедры «Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в машино- и приборостроении» (КиМО), в тесном контакте с которым выполнялась данная работа. Особую признательность автор выражает научному консультанту, заслуженному работнику Высшей школы РФ, заведующему кафедрой КиМО, д.т.н., профессору Бржозовскому Борису Максовичу за ценную научную консультацию и постоянное внимание к работе, а, также, д.т.н., профессору Мартынову Владимиру Васильевичу за помощь в формировании корректных взглядов на проблемы современной динамики станков и процессов резания.
Правка круга как способ обеспечения качества процесса шлифования абразивным инструментом
Уровень современных динамических исследований станочных систем и процессов обработки определяют известные в стране и за рубежом научные школы под руководством Б.М. Бржозовского, В.Л. Вейца, Ю.И. Городецкого, В.Л. Заковоротного, Ю.Г. Кабалдина, В.В. Каминской, З.М. Левиной, Д.Н. Решетова, B.C. Хомякова, П.И. Ящерицына и другие научные центры. Важное место в научных исследованиях занимает проблема качества процессов обработки и разработка методов ее обеспечения на основе формирования оптимальных динамических свойств станочной системы. Следует отметить наличие широкого спектра подходов к данной проблеме, которые базируются как на общих принципах динамики обработки, так и на учете особенностей динамики исследуемых процессов.
Разработка принципов повышения стабильности и качества обработки на основе их динамического мониторинга отражена в работах Б.М. Бржозов-ского, В.В. Мартынова [23,24,137], В.Л. Заковоротного [65-67]. Широкое освещение в литературе нашло направление, связанное с повышением надежности технологического оборудования на основе вибродиагностики состояния станка и отдельных его узлов и механизмов, которыми занимаются Д.Г. Евсеев [58-59], Е.Г. Нахапетян [148-150], Явленский А.К. [262,263] и другие исследователи.
Значительный объем работ посвящен исследованию взаимосвязи колебательного процесса и динамического состояния технологического оборудования с формированием качественных характеристик поверхностей и производительностью обработки. Наиболее важные результаты получены по следующим направлениям. Установлен факт переносимости колебаний на обрабатываемую поверхность [48]. Выявлено, что уровень колебаний может быть использован как показатель качества и стабильности процесса обработки [62] и режущих свойств и стойкости инструмента [63], на основе чего получение качества обработанной поверхности обеспечивается за счет поддержания оптимального уровня колебаний путем оптимизации режимов обработки и другими средствами.
Следует отметить важность направления исследований, в основе которого лежит прогноз качества процесса шлифования по показателям динамического состояния технологического оборудования [72-73]. В работе [103] экспериментально установлена связь показателей качества обработки и ее производительности с распределением амплитуд колебаний по собственным частотам станка. В работах [117,136,199,206] вьывлены общие закономерности по развитию колебаний, сопровождающих процесс обработки и по развитию волнистости и шероховатости обрабатываемой поверхности на операции шлифования. Связь производительности обработки с динамическими свойствами технологического оборудования установлена в работах [99,143]. В работах В.К. Старкова и А.Г. Суслова [216-217,222-223] рассмотрены основы использования высокопористых абразивных кругов для условий высокоскоростного шлифования, позволяющие увеличить период времени обработки до критического засаливания круга, при котором происходит рост интенсивности колебаний и снижение качества обработки.
Значительное число исследований посвящено самовозбуждающимся вибрациям, вынужденным колебаниям и взаимодействию автоколебаний с различными формами вынужденных колебаний. В работах [114,119,127,260] исследуется природа и особенности проявления автоколебаний, возбуждаемых при различных видах обработки. Вопросы управления автоколебаниями при шлифовании рассмотрены в [30,134,153,164]. Глубокому исследованию природы и теории автоколебаний, устойчивости динамической системы, режимов мягкого и жесткого возбуждения автоколебаний посвящены работы Ю.И. Городецкого [51-53]. На экспериментальных примерах показано, что при обработке "нежесткого" вала на режимах, близких к граничным условиям возбуждения автоколебаний, ударив по валу, можно возбудить их. Подчеркивается, что подобные импульсы могут существовать за счет вынужденных колебаний в спектре станка, имеющих место в реальных условиях обработки. Вопросы управления автоколебаниями за счет коррекции динамических характеристик УС станка и режимов обработки рассмотрены в работах [67,156-158]. Общетеоретические вопросы автоколебаний, их проявление в технических системах и при механической обработке рассмотрены в работах Г.Б. Лурье [131], К.Ф. Теодорчика [225], А.А. Харкевича [239], М.Е. Эльясберга [260].
Принципы обеспечения качества процесса обработки на основе оптимального сочетания параметров формообразующих механических систем станка
Известно, что на внутришлифовальном оборудовании в качестве правящего инструмента широко используются алмазно-металлические карандаши и алмазы в оправке. Особенность такого способа правки заключается в наличии у правящего инструмента единственной режущей кромки, а рабочая поверхность абразивного инструмента формируется методом точения. Формообразующие движения осуществляет группа инструмента. Группа правки выполняет функцию несущей системы правящего инструмента и обеспечивает постоянство положения его режущей кромки в пространстве.
Рассмотрим особенности процесса правки указанным видом правящего инструмента. При правке его вершина внедряется в поверхностный слой (ПС) шлифовального круга на глубину правки. Структура ПС представляет собой совокупность абразивных зерен, связки и пор. В результате разрушения компонентов ПС формируется обновленная рабочая поверхность круга. Наиболее твердым компонентом ПС являются абразивные зерна, которые в силу особенностей технологии изготовления абразивных кругов, имеют хаотическое (случайное) расположение в нем. Учитывая структуру ПС круга и ограниченные размеры контактной площадки при небольших глубинах правки, следует заключить, что взаимодействие вершины правящего инструмента с кругом носит случайный прерывистый характер. При правке имеет место чередование участков времени, на которых круг контактирует с алмазом, и участков времени, на которых он совершает свободное технологическое движение.
Необходимо отметить, что правка осуществляется в условиях высокоскоростного силового взаимодействия правящего инструмента с компонентами ПС шлифовального круга. Силовое нагружение в зоне правки создается двумя группами ФМС станка - группой шлифовального круга и группой правки. Поскольку процесс взаимодействия носит характер хрупкого ударного разрушения, то особую роль в нем приобретают динамические явления. Возбуждение со стороны зоны правки действует на механическую систему станка и может приводить к интенсивным колебательным движениям. Взаимные колебания круга и алмаза при правке могут оказывать существенное влияние на траекторные характеристики компонентов ПС в зоне их контакта с вершиной правящего инструмента. В зависимости от соотношения частотных характеристик колебательного процесса и скоростных характеристик технологического движения указанное влияние может отражаться в той или иной мере на макро- и микропрофиле правленной поверхности, на структуре ПС круга и его режущих свойствах.
Следует учесть, что колебательные движения могут усиливать неравномерность скорости и глубины ударного взаимодействия абразивных зерен с алмазом и приводить к увеличению разброса характеристик и режущих свойств круга по отдельным участкам его рабочего слоя. На круге могут чередоваться участки, на которых доминируют зерна, сформированные микроразрушением, и участки, на которых зерна сформированы преимущественно "взрывным" объемным разрушением. Это приводит к образованию неравномерности режущих свойств круга за счет провалов в ПС круга. Неравномерность режущих свойств круга по его поверхности может оказывать отрицательное влияние на процесс шлифования и приводить к ухудшению основных технологических показателей обработки. Кроме того, чередование провалов в ПС круга может является причиной дополнительного возбуждающего эффек 55 та в зоне резания, что отрицательно проявляется в динамике процесса шлифования.
Уровень колебаний, их частотный и амплитудный состав устанавливается на основе сложного механизма высокоскоростного импульсного силового взаимодействия групп инструмента и правки через зону их контакта. В этом процессе важное значение приобретают динамические параметры механических систем групп инструмента и правки. Именно они определяют качество протекания процесса правки и формирование выходных характеристик правленой поверхности.
Таким образом, качественный анализ процесса правки с позиций его динамики дает возможность сделать следующие основные заключения: - в зоне контакта при правке формируется возбуждение, которое "раскачивает" механические системы, несущие шлифовальный круг и правящий инструмент, что приводит к возникновению колебательного процесса; - основные параметры колебательного процесса связаны с динамическими свойствами ФМС групп инструмента и изделия, которые вместе с процессом правки образуют динамическую систему правки; - относительные колебательные движения круга и правящего инструмента оказывают влияние на качество протекания процесса правки и на его основные выходные показатели: макро- и микрогеометрические свойства поверхностного слоя круга; - в основе формирования возбуждения при правке лежит процесс случайного ударного взаимодействия вершины правящего инструмента с фрагментами ПС абразивного круга. В соответствии с этим исследование взаимосвязи динамических и качественных факторов процесса правки целесообразно выполнить по следующим направлениям: 1. Исследовать связь формирования качественных характеристики ПС абразивного круга с сопровождающим правку колебательным процессом. 2. Исследовать связь колебательного процесса при правке с параметрами механических систем групп инструмента и правки. 3. Разработать научно-обоснованные рекомендации по обеспечению оптимальных динамических условий обработки, рассматривая группы инструмента и правки как связанные процессом резания динамические подсистемы.
Решение общей динамической задачи о влиянии динамических процессов на качество процесса правки требует постановки и решения следующих отдельных модельных задач: 1. Разработать динамическую модель процесса правки на основе нелинейного взаимодействия ФМС групп инструмента и правки при резании. 2. Разработать модель ПС абразивного круга, которая позволяет формировать последовательность возбуждающих силовых импульсов в зоне резания и оценивать влияние динамики обработки на качество процесса правки. 3. Разработать модель силового возбуждения ФМС групп инструмента и правки со стороны процесса правки. 4. Разработать модель формообразования ПС круга с учетом динамических явлений, сопровождающих процесс правки.
Динамическая модель процесса правки с учетом конструктивных особенностей механических систем абразивного круга и правящего инструмента
Особенностью взаимодействия подсистем абразивного круга и правящего инструмента в зоне резания, как отмечалось ранее, является случайность и дискретность процесса контактирования. Случайность столкновения фрагментов ПС круга с вершиной правящего инструмента связана с хаотичностью расположения абразивных зерен в ПС круга и с разбросом их размерных характеристик. Дискретность взаимодействия объясняется, во первых, наличием структурной неоднородности абразивного материала (зерна+связка+поры), во вторых, чрезвычайно малой глубиной правки по сравнению с глубиной профиля ПС круга.
Динамическую картину процесса правки можно описать следующем образом. На интервалах времени, когда имеет место силовой контакт абразивных зерен с вершиной алмаза, упругие системы абразивного круга и правящего инструмента "раскачиваются" по закону импульсного возмущения. Закон нарастания импульса силы, как показано ранее, может быть описан первой гармоникой в виде части синусоиды длиной до четверти периода (ф. 2.14). На этом временном участке амплитуды колебаний круга и правящего инструмента получают положительное приращение. На интервалах времени между силовыми импульсами ФМС теряют механический контакт в зоне правки и их движения подчиняются закону переходного затухающего процесса. Амплитуды колебаний получают отрицательное приращение в соответствии с демпфирующими свойствами УС абразивного и правящего инструментов.
На интервалах времени действия импульса силы УС получают приток энергии, а на интервалах времени между силовыми импульсами рассеивают ее. В итоге такого взаимодействия в динамической системе устанавливается некоторый энергетический баланс с определенным уровнем амплитуд, соответствующий действующему уровню возбуждения.
Таким образом, движение в группах шлифовального круга и правки можно разделить во времени на два этапа: "раскачка" и "затухание". С позиции теории колебаний период "раскачки" может быть рассмотрен в виде переходного движения системы под действием гармонического возмущения. Период "затухания" описывается в виде переходного процесса с начальными значениями смещения, скорости и фазы колебаний до момента появления контакта вершины алмаза со следующим фрагментом ПС круга.
В соответствии с обобщенной динамической моделью процесса правки, рассмотренной во второй главе, механические группы шлифовального круга и правящего инструмента описываются в динамике следующими подсистемами: X] - нормальная изгибная подсистема шлифовального круга; Х2 — тангенциальная изгибно-крутильная подсистема шлифовального круга; х3 — осевая подсистема шлифовального круга; х4 — нормальная подсистема алмаза; х5 - тангенциальная изгибная подсистема алмаза; Хб - осевая изгибная подсистема алмаза;
Каждая из указанных подсистем может быть развита вглубь ФМС в соответствии с их конкретными конструктивными особенностями и представлена в виде некоторого количества связанных парциальных систем. Отметим, что степень адекватности модели реальной конструкции растет с увеличением количества используемых в ней парциальных систем. Однако известно, что, начиная с некоторой степени детализации, дальнейшее усложнение модели нерационально, поскольку затраты на приращение вычислительных ресурсов не соответствуют приращению адекватности.
Развитие модели целесообразно осуществить с учетом принципа выделения в УС станка доминирующих форм колебаний, которые определяются на основе теоретико-экспериментальных исследований, что позволяет достичь хороших результатов по адекватности при минимальной сложности динамической модели.
При построении модели учтено, также, что собственные частоты упругих систем групп шлифовального круга и правки находятся в более высокой области по отношению к собственным частотам несущей системы станка. Поэтому формы колебаний, связанные с несущей системой станка, в исследовании динамических явлений в зоне резания не рассматривается, что может внести в результаты моделирования определенную погрешность, но дает возможность сосредоточить вычислительные ресурсы на процессе резания.
В качестве объекта моделирования выбран широко распространенный внутришлифовальный полуавтомат мод.ЗМ227ВФ2. Детальное изучение конструктивных особенностей механических систем групп инструмента и правки позволило представить динамическую модель в виде схемы, приведенной на рис. 3.1. Парциальные системы в соответствии с указанной индексацией отражают следующие характеристики механической системы станка: Pi - жесткость шлифовального круга по отношению к оправке; Ш], т3 - масса шлифовального круга вдоль соответствующих координат; Р7 - изгиб-ная жесткость оправки, приведенная к зоне правки; т 7 - масса оправки, приведенная к зоне правки; Р2 - крутильная жесткость шлифовального круга по отношению к оправке; 12 - момент инерции шлифовального круга вдоль оси вращения; Р8 - крутильная жесткость оправки по отношению к ротору шпинделя; 18 - момент инерции оправки; Р3 - жесткость шлифовального круга в осевом направлении по отношению к оправке; Рд — жесткость оправки в осевом направлении по отношению к корпусу шпинделя; т9 - масса оправки в осевом направлении, приведенная к зоне правки; Р4 - жесткость алмазного карандаша по отношению к державке в направлении, нормальном к поверхности правки; Р]0 - жесткость державки в нормальном направлении по отношению к поверхности правки; т.4, тю — массы алмазного карандаша и державки;
Компьютерные исследования связи качественных показателей процесса правки с динамическими параметрами станочной системы
Во второй и текущей главах подготовлена общая теоретическая база для исследования динамических явлений, которые сопровождают процесс правки абразивного круга. Решены следующие основные задачи: - разработана динамическая модель процесса правки; - получены уравнения движения динамической системы правки под действием короткого силового импульса и комплекс выражений для аналитического расчета колебательных движений механической системы; - на основе теоретических разработок А.В.Королева получено выражение обобщенной силы в зоне правки и определены силовые зависимости для расчета параметров удара и процесса обновления поверхностного слоя круга. - обоснован механизм установления колебательных движений в динамической системе правки при взаимодействии ПС круга с правящим инструментом.
Разработанная теоретическая база позволяет выполнить анализ поведения динамической системы при ударном взаимодействии некоторого абстрактного абразивного зерна с вершиной правящего инструмента. Для реализации динамических исследований процесса правки необходимо решить модельную задачу воспроизведения поверхности абразивного круга и технологического движения этой поверхности относительно вершины правящего инструмента.
Указанная задача носит самостоятельный характер и может быть успешно решена с привлечением возможностей современных вычислительных средств. Поэтому в дальнейшем ставится основная задача - разработать компьютерную модель процесса правки, которую можно было бы использовать в качестве инструментального средства для исследования взаимосвязи динамических явлений с качеством правки по следующей схеме: параметры механических систем групп абразивного и правящего инструментов - колебательный процесс в зоне резания - качество правки .
Следует учесть, что динамические явления могут оказывать существенное влияние на траекторные характеристики абразивных зерен в зоне их контакта с вершиной правящего инструмента. В зависимости от соотношения частотных характеристик группы инструмента, правки, и технологического движения инструмента указанное влияние может отражаться на макро- и микропрофиле правленой поверхности, на структуре поверхностного слоя круга и на его режущих свойствах. Поэтому важной задачей на пути повышения качества правки является исследование взаимосвязи процесса разрушения абразивного материала круга и колебательного процесса, который его сопровождает.
Отметим, что основными возбудителями колебаний при правке являются неуравновешенность шлифовального круга и ударный процесс взаимодействия вершины алмаза с ПС круга. Поэтому в зоне правки можно ожидать присутствия вынужденных колебаний на частоте вращения инструмента и колебаний на собственных частотах упругих систем групп инструмента и правки.
В зону правки по УС станка могут передаваться другие колебания, связанные с функционированием станка, но не связанные с процессом правки. Поэтому влияние внешних колебаний по отношению к процессу правки в модели не рассматриваем, так как этот вопрос связан с обеспечением динамического качества станка в целом и выходит за рамки решаемых в работе задач.
Влияние колебательных движений шлифовального круга и правящего инструмента на процесс правки целесообразно рассматривать в двух аспектах:
1. В виде непрерывного изменения технологически заданной глубины взаимодействия ПС круга с вершиной алмаза за счет изменения их относительного положения (геометрический аспект).
2. В виде изменения заданных траекторных и кинематических параметров движения отдельного абразивного зерна в зоне правки, влекущих за собой изменение ожидаемого силового характера взаимодействия (силовой аспект).
Первый аспект можно учесть в виде изменения глубины правки с выхо дом на некоторую вероятностную величину отклонения. Второй аспект требу -э ет детальной проработки процесса взаимодействия ПС круга с правящим ин струментом.
Структурная схема компьютерной инструментальной системы приведена на рис.3.5. Центральной частью модели является процесс правки. Чтобы его реализовать, необходимо сформировать определенное пространственное перемещение ПС круга относительно вершины правящего инструмента - технологическое движение. Основные характеристики движения определяет заданный режим правки. А/ Отметим, что процесс правки осуществляется в условиях, создаваемых ФМС абразивного круга и правящего инструмента. Указанные группы обладают определенными динамическими свойствами в соответствии с характе ji ристиками УС и адекватно им реагируют на силовое возмущение со стороны зоны резания. Силовое возмущение формируется при высокоскоростном ударном хрупком разрушении компонентов поверхностного слоя круга при его контакте с вершиной алмаза. Реакция на возмущение проявляется в виде пространственных колебательных движений круга и алмаза. Это приводит к отклонению траектории технологического движения ПС круга от заданной формы и к изменению условий их контактирования с вершиной алмаза.
