Повышение эффективности бесцентрового шлифования сборными кругами прецизионных деталей на основе стабилизации функциональных характеристик процесса

Развитие современной техники предъявляет постоянно возрастающие требования к надежности и долговечности машин, которые в значительной степени зависят от качества изготавливаемых деталей. Поэтому важной народнохозяйственной задачей является разработка и совершенствование технологических методов изготовления деталей, обеспечивающих высокое качество и производительность обработки. В первую очередь это относится к чистовым и отделочным методам обработки, в процессе которых окончательно формируется поверхностный слой деталей, определяющий их эксплуатационные свойства. Наиболее распространенным методом окончательной обработки точных и ответственных деталей является круглое бесцентровое шлифование.

Благодаря фундаментальным работам известных ученых А. К. Байкалова, Н. И. Богомолова, Г. В. Бокучава, Д. Б. Ваксера, Г. И. Грановского, П. Е. Дьяченко, Н. Н. Зорева, Г. М. Ипполитова, Г. Б. Лурье, Е. Н. Маслова, А. А. Маталина, В. Н. Муцянко, А. В. Поздея, С. Г. Редько, А. Н. Резникова, Ф. С. Юнусова, П. И. Ящерицина, С. Малкина, М. Шоу и других созданы научные основы процесса шлифования, изучены вопросы точности и качества поверхности деталей машин, разработаны технологические методы абразивной обработки, которые широко и успешно применяются в различных отраслях машиностроения.

Дальнейшее развитие теоретических основ процессов шлифования с целью повышения их эффективности дано в работах отечественных и зарубежных ученых Д. Г. Евсеева, А. В. Королева, С. Н. Корчака, Т. Н. Лоладзе, Б. И. Никулкина, Ю. К. Новоселова, В. И. Островского, С. А. Попова, Э. В. Рыжова, Г. И. Саютина, А. Н. Сальникова, А. Г. Суслова, В. К. Старкова, С. С. Силина, В. А. Сипайлова, Л. Н. Филимонова, В. А. Хрулькова, Л. В. Худобина, В. А. Шальнова, В.Д. Элья-нова, А. В. Якимова, С. Мацуи, К. Оно, К. Сато, Н. Цува и других. Этими работами и опытом предприятий убедительно показаны широкие возможности процессов шлифования по обеспечению высокого качества деталей машин при производительной обработке.

Однако процессам бесцентрового шлифования присущи определенные недостатки, обусловленные непрерывным динамическим изменением условий взаимодействия инструмента с обрабатываемым материалом в зоне резания, которые в целом характеризуют нестабильность процесса обработки во времени. Это приводит к негативному изменению теплового и силового воздействия на инструмент, не рациональному использованию его ресурса и ухудшает качество поверхностного слоя обрабатываемых деталей. Интенсивность отмеченных явлений зависит от условий обработки и в наибольшей степени проявляется при шлифовании деталей из труднообрабатываемых материалов. Особую актуальность динамическая нестабильность процессов шлифования приобретает в условиях автоматизированного производства.

Существующие способы формообразования поверхностей на операциях бесцентрового шлифования, оснащение, применяемое при их реализации, не предусматривают оптимизацию управления временной стабильностью характеристик процессов шлифования. Обеспечение заданного качества поверхностного слоя деталей при шлифовании в настоящее время для каждого конкретного случая решается опытным путемподбором условий обработки, которые не всегда оказываются достаточно производительными и экономичными. Это не позволяет осознанно управлять процессами шлифования с целью обеспечения заданного качества обработки при наивысшей ее производительности, а также изыскать пути интенсификации процессов и расширения их технологических возможностей.

Дальнейшее развитие технологии шлифования, повышение качества и производительности обработки возможно лишь на базе теории, описывающей основные закономерности стабилизации процессов шлифования и их связи с формированием свойств поверхностного слоя деталей. Отмеченное выше явилось предпосылкой для постановки этой работы, основная цель которойразвитие теории процесса круглого бесцентрового шлифования, разработка конструктивнотехнологических основ стабилизации процессов шлифования для обеспечения заданного качества и повышения производительности обработки.

На основе теоретических и экспериментальных исследований функциональных и выходных характеристик процесса круглого бесцентрового шлифования созданы математические модели шлифования, описывающие его наиболее существенные закономерности и являющиеся основой для временной стабилизации и управления характеристиками процесса. На базе этих моделей разработана методика и программное обеспечение выбора строения сборного абразивного инструмента переменной характеристики для реализации многостадийной высокопроизводительной обработки. Разработаны также новые способ и сборный абразивный инструмент для шлифования, расширяющие технологические возможности метода. Новизна этих разработок защищена патентом РФ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— Разработаны математические модели процесса круглого бесцентрового шлифования для описания силовых и температурных характеристик процесса. Аналитически описаны закономерности этих явлений и определены пути управления ими на этапах проектирования и реализации процессов шлифования;

— Получено аналитическое выражение для расчета высоты профиля шероховатости поверхности Rz при круглом бесцентровом шлифовании;

— Предложено два принципа временной стабилизации характеристик процесса многостадийного бесцентрового шлифования на одном станке:

— Применение сборного абразивного инструмента переменной характеристики в осевом направлении, обеспечивающего стабильность силовых и температурных характеристик процесса;

— Поддержание стабильности режущей способности абразивного инструмента за счет периодической правки рабочей поверхности;

— Разработан новый способ и конструкция сборного абразивного инструмента для’многостадийного бесцентрового шлифования, обеспечивающие временную стабилизацию функциональных и выходных характеристик процесса шлифования, повышение производительности обработки.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

— Разработана методика и прикладное программное обеспечение выбора характеристик сборного абразивного инструмента при многостадийном круглом бесцентровом шлифовании, обеспечивающего стабильность сил резания в зоне обработки и требуемую шероховатость шлифуемой поверхности;

— Предложены типовые технологии высокопроизводительного круглого бесцентрового шлифования элементов автомобильных гидротолкателей, регламентирующие применение сборного абразивного инструмента переменной характеристики.

Исследования, результаты которых изложены в диссертации, проводились в рамках научноисследовательских работ.

Основные положения диссертации докладывались в 2002; 2004 г. г. на международных, республиканских, межвузовских конференциях и семинарах. Основное содержание работы опубликовано в патенте РФ и 7 статьях.

ВЫВОДЫ.

1. Исследованы функциональные (силовые, температурные) и выходные характеристики процесса бесцентрового шлифования сборным абразивным инструментом переменной характеристики. Результаты исследований подтвердили достоверность полученных теоретических расчетов сил, температур и шероховатости поверхности.

2. Разработаны методики и созданы новые устройства для исследования силовых и температурных характеристик процесса круглого бесцентрового шлифования.

3. Разработан алгоритм и программное обеспечение выбора характеристик сборного абразивного инструмента при многостадийном бесцентровом шлифовании, обеспечивающего стабильность сил резания в зоне обработки и требуемую шероховатость шлифуемой поверхности.

4. Разработан научнотехнический комплекс, объединяющий теоретические основы и конструктивнотехнологические средства совершенствования процессов бесцентрового абразивного шлифования, базирующийся на: прогнозировании характеристик и создание сборного абразивного инструмента, обеспечивающего стабильность силовых и температурных характеристик процесса шлифования, и требуемую шероховатость поверхностиподдержание постоянства режущих свойств сборного инструмента. Новизна технического решения разработанного комплекса защищена патентом РФ.

5. Приведена технологическая эффективность реализации результатов исследований при шлифовании элементов автомобильных гидротолкателей заключающаяся в увеличении производительности шлифования в 2,5−4,3 раза, снижении шероховатости поверхности при стабильном обеспечении требуемой точности обработки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании проведенного комплекса исследований осуществлено теоретическое и практическое решение актуальной, имеющей важное народнохозяйственное значение, научно — технической проблемы обеспечения стабильности высокоэффективного круглого бесцентрового шлифования деталей на базе разработки теоретических основ и конструктивно — технологических средств их реализации. Основные выводы по работе сводятся к следующему:

1. На базе системного подхода при моделировании основных контактных явлений (силовые, тепловые) в зоне резания при круглом бесцентровом шлифовании, получены аналитические выражения для прогнозирования этих контактных явлений, учитывающие стандартизованные параметры характеристики абразивного инструмента. Полученные основные закономерности являются основой для создания оптимизационной математической модели стабильного обеспечения требуемых производительности и качества при последовательных стадиях чернового, чистового и отделочного круглого бесцентрового шлифования, а также программного математического обеспечения выбора строения сборного абразивного инструмента переменной характеристики.

2. Установлено, что основным возмущающим фактором, определяющим временную нестабильность функциональных и выходных характеристик технологической системы бесцентрового шлифования, является износ абразивного инструмента при шлифовании.

3. Предложено два принципа временной стабилизации функциональных и выходных характеристик бесцентрового шлифования: — поддержание стабильности режущей способности абразивного инструмента за счет периодической правки рабочей поверхности через 30.40 секунд непрерывного шлифования;

— применение сборного абразивного инструмента переменной характеристики в осевом направлении, обеспечивающего стабильность силовых и температурных характеристик процесса, при последовательной многостадийной обработке на одном станке.

Оба эти принципа реализуются одновременно при шлифовании на бесцентровых круглошлифовальных станках, работающих в автоматическом цикле.

4. Получено аналитическое выражение для расчета высоты профиля шероховатости поверхности Rz при круглом бесцентровом шлифовании. Установлено, что превалирующее влияние на формирование шероховатости оказывают зернистость абразивного инструмента, глубина шлифования и продольная подача детали.

5. Разработаны методики и созданы новые устройства для исследования силовых и температурных характеристик процесса круглого бесцентрового шлифования.

6. Выполнено комплексное исследование функциональных (силовых, тепловых) и выходных (точность размера, нецилиндричность, шероховатость поверхности) характеристик процесса круглого бесцентрового шлифования сборным абразивным инструментом переменной характеристики в производственных условиях при обработке элементов гидротолкателей. Результаты исследований выявили существенные технологические преимущества разработанных решений в стабилизации функциональных и выходных характеристик процесса шлифования, приводящих к повышению производительности в 2,5−4,3 раза, исключению брака шлифуемых деталей по точностным и качественным показателям.

7. Разработан алгоритм и программное обеспечение выбора характеристик сборного абразивного инструмента при круглом бесцентровом шлифовании, обеспечивающего стабильность сил резания в зоне обработки и требуемую шероховатость шлифуемой поверхности.

8. Разработан научно — технический комплекс, объединяющий теоретические основы и конструктивно — технологические средства совершенствования процессов круглого бесцентрового абразивного шлифования базирующегося на: — прогнозировании характеристик и применения сборного абразивного инструмента, обеспечивающего стабильность силовых и температурных характеристик процесса шлифования, и требуемую шероховатость шлифуемой поверхности детали- - поддержание постоянства режущих свойств сборного абразивного инструмента. Новизна технического решения разработанного комплекса защищена патентом РФ.

9. Практическая реализация результатов исследований осуществлена внедрением технологических операций круглого бесцентрового шлифования сборным абразивным инструментом переменной характеристики на Пермском ОАО «ПАО Инкар» при изготовлении автомобильных гидротолкателей.