Технологічні основи забезпечення якості і підвищення стабільності високопродуктивного чистового та тонкого шліфування

Размещено на http://www.allbest.ru

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Братан Сергій Михайлович

УДК 621.923: 621.90.47

ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЯКОСТІ І ПІДВИЩЕННЯ СТАБІЛЬНОСТІ ВИСОКОПРОДУКТИВНОГО ЧИСТОВОГО ТА ТОНКОГО ШЛІФУВАННЯ

Спеціальність 05.02.08 - технологія машинобудування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Одеса - 2006

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Севастопольському національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Новосьолов Юрій Костянтинович,

Севастопольський національний технічний університет, завідувач кафедри “Технологія машинобудування”

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор,

Кузнєцов Юрій Миколайович

національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри “Конструювання верстатів та машин”

- доктор технічних наук, професор

Ларшин Василь Петрович,

Одеський національний політехнічний університет, професор кафедри “Технологія машинобудування”

- доктор технічних наук, професор

Кальченко Віталій Іванович,

Чернігівський державний технічний університет, завідувач кафедри “Металорізальні верстати і системи”

Провідна установа: Харківський науково-дослідний інститут технології машинобудування Мінпромполітики України

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Оборський Г.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний рівень розвитку техніки характеризується підвищенням вимог до якості механізмів і машин. Найважливішими факторами, що визначають споживчі якості, довговічність, надійність і точність роботи машин, є похибки розмірів, відхилення форми, шорсткість, хвилястість поверхонь і ін. При виготовленні широкого класу деталей машин, необхідно, з однієї сторони, витримувати високі вимоги по якості одержання геометричних розмірів, шорсткості і фізико-механічному стану поверхневого шару, з іншої сторони, підвищувати продуктивність їхнього випуску в зв'язку з вимогами ринку. Ставиться задача не тільки підвищити точність виготовлення деталей у цілому, але і забезпечити стабільність їхніх параметрів.

Нестабільність параметрів деталей визначається впливом у процесі їх виробництва на технологічну систему (ТС) зовнішніх чинників, що змінюються, частина з яких невідома і не контрольована в процесі обробки. Ця проблема особливо актуальна для фінішних операцій, на яких остаточно формуються параметри якості готових виробів і які найбільш чутливі до збурюючих впливів. шліфування стабілізація пороговий динамічний

Широко розповсюдженими способами фінішної обробки деталей машин і приладів є методи чистового і тонкого шліфування. В даний час чистове і тонке шліфування здійснюється з застосуванням традиційних методів, не повною мірою враховуючих вплив випадкових чинників, що знижують стабільність показників якості вироблених виробів. Для стабілізації показників якості технологічні режими призначаються, виходячи з несприятливих умов, наприклад, поновлення властивостей зношеного шліфувального круга проводиться значно раніше, ніж того вимагає його дійсний стан. При прогнозуванні стану ТС використовуються традиційні детерміновані моделі протікання технологічного процесу (ТП), здійснювані з застосуванням традиційних режимів різання, способів діагностики і управління. Разом з тим, процеси шліфування мають складну стохастичну природу, що приводить до розкиду показників якості виробів і не дозволяє використовувати всі можливості фінішних методів.

Забезпечення якості та ефективності операцій чистового і тонкого шліфування можливо тільки на основі розробки комплексних динамічних моделей, обліку і визначення параметрів стохастичних процесів, які при цьому протікають.

Необхідно комплексне вирішення цих задач, сукупність яких являє собою невирішену дотепер проблему.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі технології машинобудування Севастопольського національного технічного університету і є складовою частиною наукових досліджень, проведених кафедрою у рамках комплексного плану досліджень Міністерства освіті України по проблемі підвищення якості деталей при механічній обробці (постанова Президії НАН України від 30.12.1990 р. № 590), координаційного плану НАН України “Розробка методів і високопродуктивних програмних засобів аналізу та синтезу моделей і систем автоматизованого управління” до 2000 року, наукової державної тематики “Розробка наукових основ оптимального управління при обробці заготівель на автоматизованому устаткуванні” згідно наказу МО України № 37 від 13.02.97 р., Комплексної програми “Автомобіль України 2000” Мінмашоборонпрому. Тема дисертаційної роботи відповідає науковій тематиці факультету технології і автоматизації машино-приладобудування і транспорту Севастопольського національного технічного університету в області розробки технології автоматизованого виробництва. Результати, одержані автором дисертації, використані при виконанні держбюджетної роботи “Розробка наукових основ оптимального управління при обробці заготівок на автоматизованому устаткуванні” (1997-1999рр., номер реєстрації 0198U002231).

Метою дисертаційної роботи є: розробка методів забезпечення стабільності параметрів якості шліфованих поверхонь при високопродуктивному чистовому і тонкому шліфуванні

Основні задачі дослідження.

Розробити технологічні основи забезпечення якості і підвищення стабільності високопродуктивного чистового і тонкого шліфування, що включають у собі:

1. Загальну методологію забезпечення якості і підвищення стабільності високопродуктивного чистового і тонкого шліфування, на основі вивчення поводження технологічної операції як системи при впливі на неї мінливих вхідних, управляючих впливів, та впливів що обурюються.

2. Єдину методику розрахунку високопродуктивних граничних циклів для чистового і тонкого шліфування, яка враховує зміну стану елементів технологічної системи з часом.

3. Методи стабілізації якості виробів при високопродуктивному чистовому і тонкому шліфуванні.

4. Перевірку отриманих технічних рішень і впровадження результатів теоретичних і експериментальних досліджень у промисловість.

Об'єктом дослідження є операції чистового і тонкого шліфування.

Предметом дослідження є закономірності формування параметрів якості при ТП чистового і тонкого шліфування.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводилися на базі наукових основ технології машинобудування, теорії різання металів, теорії динаміки верстатів, системного аналізу, методів теорії автоматичного управління, лінійної і нелінійної параметричної і рекурентної оцінки, перевірки статистичних гіпотез, стохастичної оптимізації, лінійної алгебри, теорії інформації. При перевірці адекватності моделей застосовані методи моделювання, які базуються на аналітичному і чисельному експериментах, а також на експериментальній перевірці результатів моделювання в лабораторних і виробничих умовах.

Вірогідність теоретичних і експериментальних досліджень підтверджується результатами дослідно-промислової перевірки і впровадження у виробництво.

Наукова новизна роботи. На основі системного підходу до дослідження технологічних операцій і основних положень технології машинобудування, в роботі вперше отримані наступні нові наукові результати:

1. Розроблена і науково обґрунтована методологія забезпечення стабільності якості високопродуктивного чистового і тонкого шліфування, яка побудована на основі вивчення взаємозв'язків технологічної операції як динамічної системи, при впливі на неї вхідних, керуючих і збурюючих факторів що змінюються, їхньої динамічної діагностики і стабілізації процесу шліфування безпосередньо в процесі обробки.

2. Сформульовано і введено нове технологічне поняття порогового граничного циклу шліфування, яке засноване на властивості досягнення стабільності заданої якості продукції що випускається, і яке характеризує випуск виробів з гарантованими параметрами якості, виготовленими в різний час і незалежно від впливу зовнішніх факторів, котрі знаходяться в деяких межах, і визначають граничні параметри технологічних циклів.

3. Висунуто та обґрунтовано наукове положення про можливість забезпечення гарантованої якості виробів на операціях високопродуктивного чистового і тонкого шліфування, які піддаються впливу випадкових збурюючих факторів в умовах реалізації порогових граничних циклів, при забезпеченні безупинної діагностики стану ТП і здійсненні динамічної стабілізації параметрів технологічного циклу щодо номінального режиму безпосередньо в процесі обробки.

4. Вперше встановлені взаємозв'язки і закономірності формування знімання матеріалу і зносу інструмента як результат одночасно протікаючих процесів механічного різання, крихкого об'ємного руйнування і ерозійного видалення матеріалу в зоні контакту шліфувального кругу і заготовки в ході операції чистового і тонкого шліфування з поточними параметрами технологічної системи і їхньою зміною за часом, а також вихідними параметрами якості виробів.

5. Розроблені технологічні основи побудови порогових граничних циклів, що реалізують максимально досяжну продуктивність обробки для операцій чистового і тонкого шліфування.

6. Встановлені взаємозв'язки, які характеризують процеси взаємодії шліфувального кругу і заготовки при чистовому і тонкому шліфуванні, що враховують вплив відхилень форми шліфувального кругу, які визначають параметри відхилень стану технологічної системи від номінального режиму в реальному масштабі часу в процесі реалізації порогового граничного циклу обробки.

7. Побудовано підсистему технологічної діагностики, що дає можливість одержувати інформацію про стани ТП, з обліком його стохастичної природи безпосередньо в процесі обробки у вигляді системи, що стежить - фільтра Калмана-Бюсі з мінімально досяжною середньоквадратичною помилкою, що дозволяє оцінювати, в тому числі, безпосередньо недоступні виміру, параметри стану процесу шліфування, як динамічної системи.

8. Розроблено систему динамічної стабілізації параметрів ТС, яка використовує результати технологічної діагностики і дозволяє врахувати і компенсувати вплив збурюючих факторів на кінцеві вихідні параметри технологічного процесу чистового і тонкого шліфування, що забезпечує підвищення стабільності якості виробів при роботі в режимах порогових граничних циклів.

Практичне значення одержаних результатів. Практичне значення результатів роботи полягає в тому, що застосування розроблених теоретичних методів дозволило створити технологію обробки заготовок на операціях чистового і тонкого шліфування, яка забезпечує високу стабільність показників якості оброблених деталей, у межах періоду стійкості шліфувального кругу, підвищує якість виробів при значному підвищенні продуктивності шліфування. Робота виконана на кафедрі технології машинобудування Севастопольського національного технічного університету. Результати виконаних досліджень упроваджені на ХРП АВТОЗАЗМОТОР ЗАТ АВТОЗАЗ DAEWOO, м. Мелітополь у рамках комплексної програми “Автомобіль України 2000” Мінмашоборонпрому. Річний економічний ефект при обробці деталей штампового оснащення склав 17 187 карбованців у рік (на жовтень 1991 року) при обробці деталей автомобілів, 150.000.000 крб. на один верстат у рік (за цінами 1995 року) і 14597 гривень на один верстат за цінами 2000 року.

Матеріали дисертації використовуються для розробки методичних комплексів по дисциплінах “Технологія автоматизованого виробництва”, “Динаміка формоутворення поверхонь при механічній обробці”, включених у програму підготовки студентів спеціальності 8.09.0202 - “Технологія машинобудування” та 809.0203 - “Металорізальні верстати і системи” на кафедрі технології машинобудування Севастопольського національного технічного університету.

Особистий внесок здобувача полягає в створенні технологічних основ забезпечення стабільності параметрів якості виробів при чистовому і тонкому шліфуванні. Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень, що виносяться на захист, отримані автором самостійно.

Особистий внесок дисертанта в роботах, виконаних у співавторстві, полягає в обґрунтуванні наукового напрямку, формулюванні цілей і задач роботи, розробці методів їхнього вирішення й участі в проведенні експериментальних досліджень; побудові математичних моделей, встановленні теоретичних залежностей; формулюванні новизни й основних висновків за результатами роботи; аналізі й узагальненні отриманих результатів досліджень. Автор був науковим керівником і відповідальним виконавцем науково-дослідних госпдоговірних робіт із проблем технологічного забезпечення точності і якості формоутворення поверхонь.

Апробація результатів дисертації. Основні положення, результати і висновки доповідалися на науково-технічних конференціях і семінарах: професорсько-викладацького складу Севастопольського національного технічного університету в 1991 - 2004 р.р., “Актуальні проблеми фундаментальних наук”, (Москва, 1991); “Автоматизація процесів механообробки і складання в машино - і приладобудуванні”, (Алушта, 1991); “Шляхи підвищення ефективності обробки матеріалів різанням”, (С.-Петербург, 1991); “Автоматизація технологічної підготовки механообробки деталей на верстатах із ЧПУ”, (С.-Петербург, 1991); “Актуальні проблеми сучасної технології”, (Барнаул, 1992); “Оптимізація робочих параметрів виробничих конструкцій”, (Севастополь, 1993); “Високоміцна кераміка: виробництво і ринок”, (Севастополь, 1993); “Оптимізація виробничих процесів”, (Севастополь, 1994); “Прогресивна техніка і технології машинобудування”, (Севастополь, 1995); “Сучасні проблеми машинобудування і технічний прогрес”, (Севастополь, 1996); “Автоматика”, (Севастополь, 1996); “Прогресивні технології машинобудування і сучасність”, (Донецьк, 1997); “Високі технології в машинобудуванні: сучасні тенденції розвитку. Інтерпартнер-97”, (Алушта, 1997); “Високі технології в машинобудуванні: сучасні тенденції розвитку. Інтерпартнер-98”, (Алушта, 1998); “Процеси абразивної обробки: абразивні інструменти і матеріали. Шліфабразив-98”, (Волзький, 1998); “Високі технології в машинобудуванні: сучасні тенденції розвитку. Інтерпартнер-99”, (Алушта, 1999); “Процеси абразивної обробки: абразивні інструменти і матеріали. Шліфабразив-99”, (Волзький, 1999); “Технологічне забезпечення автоматизованих виробництв”, (Барнаул, 1999); “Машинобудування і техносфера на рубежі XXI століття”, (Севастополь, 1999); “Прогресивні технології машинобудування і сучасність”, (Донецьк, 2000); “Високі технології в машинобудуванні: сучасні тенденції розвитку. Інтерпартнер-2000”, (Алушта, 2000); “Процеси абразивної обробки: абразивні інструменти і матеріали. Шліфабразив-2000”, (Волзький, 2000); “Високі технології в машинобудуванні: сучасні тенденції розвитку. Інтерпартнер-2001”, (Алушта, 2001); “Процеси абразивної обробки абразивні інструменти і матеріали. Шліфабразив-2001”, (Волзький, 2001); “Високі технології в машинобудуванні: сучасні тенденції розвитку. Інтерпартнер-2002”, (Алушта, 2002); “Процеси абразивної обробки: абразивні інструменти і матеріали. Шліфабразив-2002”, (Волзький, 2002); “Високі технології в машинобудуванні-Інтерпартнер-2003”, (Алушта, 2003). Високі технології в машинобудуванні-Інтерпартнер-2005”, (Алушта, 2005)

У повному обсязі дисертація представлена і схвалена на семінарі “Високі технології в машинобудуванні - Інтерпартнер-2003” і об'єднаному семінарі факультету - машино-приладобудування і транспорту Севастопольського національного технічного університету, семінарі кафедри - технології машинобудування Одеського національного політехнічного університету.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 70 робіт. Основний зміст відображено у 46 публікаціях, список яких представлено у рефераті.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, семи розділів і висновку, викладених на 282 сторінках, списку літератури з 364 найменувань, додатків на 19 сторінках. Містить 63 малюнки і 16 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відображена актуальність теми й обґрунтована необхідність розробки технологічних основ забезпечення стабільності параметрів якості при високопродуктивному чистовому і тонкому шліфуванні; обґрунтовані напрямки досліджень; визначені мета і наукові задачі роботи; перелічені основні результати з оцінкою їхньої наукової новизни і практичного значення; описана структура роботи.

Перший розділ присвячений аналізу сучасного стану досліджуваної проблеми і формуванню задач, вирішення яких необхідне для досягнення поставленої мети.

Перехід до ринкових відносин в економіці висунув на передній план проблеми, пов'язані з випуском конкурентноздатної продукції в машинобудуванні і приладобудуванні. “Споживачам необхідна продукція, характеристики якої задовольняли б їхні запити і чекання” (ИСО/ПСК 2 9000: 2000). Високий рівень вимог до сучасних машин і приладів обумовив ряд проблем, пов'язаних із створенням високопродуктивних технологічних процесів, які забезпечують виготовлення деталей із заданими параметрами якості. Параметри якості визначають функціональну придатність деталей (можливість об`єднання в складальні одиниці, вузли й агрегати, забезпечення герметичності стиків і ін.), їхні експлуатаційні характеристики (втомлестну міцність, корозійну стійкість, зносостійкість, контактну твердість і ін.).

Остаточно такі параметри формуються на фінішних операціях, у числі яких особливе місце по застосуванню належить чистовому і тонкому шліфуванню. До таких операцій відносяться усі види абразивного, алмазного і комбінованого шліфування, які забезпечують обробку виробів по 7-6 квалітету при чистовому і 6-5 квалітетам - при тонкому шліфуванні.

В даний час в автомобільній і в підшипниковій промисловості ведучих капіталістичних країн (США, Німеччини, Італії, Франції, Японії) більше 40 % трудомісткості механічної обробки припадає на частку чистового і тонкого шліфування і, за прогнозами, очікується подальше зростання цього показника.

Фундаментальні положення теорії забезпечення якості шліфування висвітлені в дослідженнях: Аврутіна Ю.Д., Анельчика В.Д., Байкалова О.В., Бакуля В.М., Беззубенка М.К., Богомолова М.І., Бокучава Г.В., Внукова Ю.М, Гавриша А.П., Грабченка А.І., Доброскока В.Л., Євсєєва Л.Г., Кальченка В.І, Кузнєцова Ю.М., Корольова А.В., Корчака С.М., Лавриненка С.М., Ларшина В.П., Лебедєва Г.В., Лоладзе Т.Н., Лур'є Г.Б., Маталіна О.О., Маслова Е.М., Матюхи П.Г., Новікова Ф.В., Новосьолова Ю.К., Островського В.І. , Петракова Ю.В, Подураєва В.М., Попова С.О., Редька С.Г., Рєзнікова О.М., Рижова Е.В., Саютіна Г.І., Сизого Ю.О, Узуняна М.Д., Федоровича В.О., Федосєєва О.Б., Філімонова Л.М., Худобіна Л.В., Якімова О.В. і багатьох інших

Представлені роботи висвітлюють широкий спектр проблем, які виникають при чистовому і тонкому шліфуванні, вони присвячені створенню технологічних процесів, які забезпечують якісну обробку деталей, дозволяють вирішувати комплекс задач, спрямованих на істотне підвищення продуктивності обробки, зменшення собівартості виробництва виробів, поліпшення якості продукції, що випускається, а також підвищення культури виробництва і безпеки праці. В них показана необхідність подальшого підвищення продуктивності чистового і тонкого шліфування, що можливо за рахунок комплексної механізації й автоматизації усіх виробничих процесів.

Однак при форсованих технологічних режимах у силу зростання чутливості ТС до обурюючих чиників спостерігається втрата стабільності ТС і ТП. Під стабільністю ТС розуміється “здатність виконувати необхідну робочу функцію на визначеному проміжку часу”, а під стабільністю технологічного процесу (ТП)- властивість “зберігати показники якості виготовлення продукції в заданих межах протягом деякого проміжку часу”.

Від того, що параметри технологічної системи можуть змінюватися з часом передбачуваним і непередбаченим чином під дією різних факторів, важливим показником якості технологічних систем (ТС) обробки деталей і особливо ТС фінішних операцій є їхня стабільність. Відсутність стабільності при традиційних технологіях неминуче призводить до розкиду показників якості продукції, що випускається .

При проектуванні технологічних процесів абразивно-алмазної обробки, за основу беруться детерміновані моделі, по яких розраховуються традиційні чи традиційно-граничні цикли шліфування, здійснюється обробка партії заготовок, після чого систему перебудовують на обробку іншого типорозміру чи виду. В результаті цього технологічний процес здійснюється з застосуванням традиційних режимів різання, засобів діагностики і управління.

Разом з тим, процеси шліфування мають складну стохастичну природу. У процесі різання змінюються не тільки параметри об'єкту, але й параметри самої ТС. Це призводить до нестабільності якості виробів і не дозволяє повною мірою використовувати значні технологічні можливості чистового і тонкого шліфування як фінішної операції. Забезпечення стабільності технологічного процесу і ТС істотно визначає стабільність якості продукції, що випускається. У відповідность ІСО/ПСК 2 9000: 2000, можна визначити стабільність якості продукції, що випускається, як гарантованість повторюваності властивостей виробів. Як вже вказувалося, повторюваності якості виробів, що випускаються, перешкоджають різні зовнішні фактори, які порушують запланований хід технологічного процесу. Зменшення розкиду параметрів призводить до істотного поліпшення споживчих властивостей продукції, що випускається. Можливість забезпечення стабільності заданої якості продукції, що випускається, є властивістю, яка характеризує випуск виробів, виготовлених як у різний час, так і незалежно від впливу зовнішніх факторів, з необхідними параметрами якості, які знаходяться у визначених межах. Гарантованість повторюваності в умовах впливу випадкових факторів може оцінюватися відповідними статистичними параметрами, наприклад, дисперсією відповідних показників виробів.

Існуючі ТС і ТП не дозволяють зменшити розкид параметрів виробів. Так, наприклад, за даними Мелітопольського моторного заводу (МЕМЗ), у результаті іспитів колінчатих і розподільних валів при зниженні хвилястості до 0,3 мкм і жорсткості полів допусків на 25%, їхній термін служби підвищився в 2,5 рази. Однак, при цьому відсоток виробів, зроблених за традиційними технологіями, які не потрапили в зазначені допуски, перевищив 70%.

Для компенсації впливу збурювань звичайно намагаються використовувати замкнуті системи з приладами активного контролю. Однак, внаслідок відсутності адекватних моделей процесів, які протікають, збурювань ТС, комплексу засобів діагностики, недоступності ряду параметрів безпосередньому виміру і контролю, вони не одержали широкого поширення.

Забезпечення якості та ефективності операцій чистового і тонкого шліфування можливе тільки на основі комплексних динамічних моделей, які враховують стохастичний характер процесів, що при цьому протікають.

При стабілізації якості виробів при чистовому і тонкому шліфуванні необхідно комплексне вирішення усіх вищевказаних задач, які являють собою невирішену дотепер проблему.

У другому розділі розглядається загальна методологія забезпечення якості і підвищення стабільності високопродуктивного чистового і тонкого шліфування.

Основною характеристикою якості всіх технологічних систем є здатність

виконувати задані функції протягом визначеного проміжку часу.

Технологічний процес чистового і тонкого шліфування є складним багатокомпонентним об'єктом, на який впливає велика кількість мінливих вхідних, управляючих і обурюючих чинників, необхідно розглянути його як систему.

Методами системного аналізу можливо провести декомпозицію впливів з боку навколишнього середовища на технологічний процес на

- вимірювану і керовану частину - вектор керування ;

- вимірювану, але некеровану частину - вектор вхідних змінних ;

- невимірювану (і, тим більше, некеровану частину) - вектор .

Всередині кожного із зазначених векторів можна виділити компоненти, що характеризують чинники, які впливають на технологічний процес. Стан технологічного процесу відображається вектором . При цьому доступна виміру частина є вектором вихідних змінних . Частина вихідних змінних визначає одиничні показники якості , по яких доцільно вести оцінювання стабільності технологічного процесу.

Відповідно до загальноприйнятих уявлень, наприклад, під стабільністю розуміють властивість технологічного процесу зберігати показники якості виготовлення продукції у заданих межах протягом деякого проміжного часу. Отже,

при , (1)

де - задана межа зміни k-го показника якості, - заданий інтервал часу, протягом якого повинні зберігатися показники якості. Ці показники повинні знаходитися в межах заданого поля допуску

Нерівність (1) гарантовано виконується за умови

, (2)

де - обмеження по швидкості зміни параметра .

Причинами, що викликають зміни , є зовнішні впливи на технологічний процес, тобто вектори впливів ; , і початкові умови стану . В силу того, що є невимірюваним, то його компоненти можуть вважатися випадковими функціями, результат впливу яких призводить до випадкових відхилень від номінальних значень і, отже, появі елементів випадковості в показниках якості.

Відповідно до ДСТУ 15895-77, для такого випадку критерієм стабільності служить середнє квадратичне відхилення контрольованого параметру , тобто



Забезпечення стабільності відповідних показників відбувається за рахунок вибору компонент вектора . Вважається, що раціональними є такі параметри керування , які забезпечують положення центра розсіювання всередині поля допуску на такому рівні , що мінімізує імовірність появи бракованих деталей. Звичайно зазначену задачу вирішують шляхом відповідного фіксованого настроювання верстату , яке забезпечує задані параметри протягом максимально досяжного інтервалу часу.

Як приклад реалізації такого методу, розглянуто виробництво розпідвалів на Мелітопольському моторному заводі (МЕМЗ). Для оцінки стабільності ПЯ відібрані три партії виробів, оброблених протягом одного тижня. Кожна партія містить по 10 валів, у всіх валів заміряні биття і шорсткість поверхні опорних шийок.

З 30 валів 28 валів мали. яке що не перевищує заданий допуск. Один вал з першої і один вал із третьої партії за цим параметром були відбраковані. Найбільш стабільною за цими параметрами виявилася друга партія. З неї не було відбраковано жодного виробу.

Наявність істотних коливань у відхиленнях розташування і шорсткості поверхні можна пояснити наявністю в технологічних процесах істотних обурюючих впливів, викликаних нестабільністю технологічного процесу, у тому числі і за рахунок того, що частина доступних виміру параметрів вважається дорівною, і не виконуються умови (2). Фактично при обробці кожної нової заготовки параметри процесу приймають нові значення. Це відповідає зсуву центра розсіювання відносно поля допуску і виходить за рамки обмеження (1).

Зазначений недолік може бути усунутий шляхом зменшення інтервалу завдання , тобто більш частим настроюванням параметрів технологічного процесу і представляє алгоритм керування технологічного процесу з періодичним відновленням параметрів. Наприклад, звичайний шліфувальний круг правлять після обробки визначеної кількості заготівель.

Також можливо забезпечити стабільність по деяким заданим параметрам ( ) вибором за рахунок більш швидкої зміни “маловпливових” станів . Наприклад, для чорнового шліфування вважаються доцільними такі , при яких шліфувальний круг працює в режимі самозагострювання. Недоліком розглянутого є підвищена швидкість зміни “маловпливового” стану, яке може призвести до виходу з поля допусків інших показників якості і, у відповідність (2), - зниженню і втраті стабільності по цим чинникам.

При визначенні необхідних параметрів для таких методів забезпечення стабільності якості звичайно досить поведінкового опису технологічного процесу.

Усі перелічені вище алгоритми не забезпечують одночасну стабілізацію параметрів якості в умовах випадкових збурювань , що неприпустимо для операцій чистового і тонкого шліфування, для яких допуски є малими величинами.

На операціях чистового і тонкого шліфування обробка заготовок також виконується в умовах мінливості параметрів технологічної системи обробки і навколишнього середовища. Змінюється стан робочої поверхні абразивного інструмента, склад і властивості ЗОР, параметри твердості технологічної системи, температура навколишнього середовища і т.д. Зміна одних параметрів протікає за період обробки однієї деталі, інших - протягом зміни, третіх - протягом більш тривалого періоду.

Для таких умов , вектор керування повинний вибиратися з урахуванням зміни , і для кожної деталі необхідно підбирати новий керуючий .

Застосування традиційних методів і засобів для забезпечення стабільності заданих параметрів якості поверхонь при високопродуктивному чистовому і тонкому шліфуванні практично вичерпало свої можливості і вимагає деталізованого вивчення цих технологічних операцій як системи, що відображає взаємодію станів .

При виробництві деталей на операціях чистового і тонкого шліфування прагнуть реалізувати граничні технологічні цикли (програму управління). Методика побудови і розрахунку таких циклів визначається адекватністю моделей, які характеризують технологічний процес, можливістю одержання відповідної робочої інформації про зміни стану ТС і умовами здійснення технологічної операції з мінімальними відхиленнями від заданих циклом значень.

Однак, тим самим терміном “граничні” характеризуються цикли, що істотно відрізняються один від другого режимами обробки, а це викликає потребу розрізняти такі цикли введенням деякої ознаки. У якості останнього може бути використаний рівень запасів по відношенню до обмежень. Введення такого показника показує, що існують і гранично досяжні (за даних умов шліфування, рівнів апріорної і робочої інформації, засобах вимірів і керування устаткуванням) технологічні цикли.

Розробка математичних залежностей, що адекватно моделюють поводження технологічної системи, є основою для вирішення задач забезпечення стабільності параметрів якості шліфованих поверхонь. Кожна з підсистем має свій набір властивостей, поточних параметрів стану, початкових умов, вектора вхідних і вихідних перемінних. Послідовний аналіз властивостей, зв'язків, станів, законів функціонування підсистем забезпечує визначення їхніх просторово-динамічних характеристик.

При системному аналізі операції шліфування особливе місце належить аналізу області взаємодії шліфувального круга і деталі - зоні контакту. У цій зоні відбувається видалення матеріалу з поверхні заготовки, формування всіх її якісних характеристик, зміна параметрів інструменту і т.д. Внаслідок того, що поточні параметри форми зерен і їхнього розташування, як і всього шліфувального кругу, в цілому, є випадковими, то і процеси, обумовлені взаємодією зерен з матеріалом заготовки, є стохастичними.

Для підвищення ефективності операцій чистового і тонкого шліфування намагаються застосовувати різного роду автоматичні системи. При цьому в залежності від рівня апріорної і робочої інформації можливо кілька ситуацій:

1 - стан технологічної системи відомий, змінами параметрів системи можна зневажити; 2 - стан технологічної системи відомо, змінами параметрів системи зневажати не можна; 3 - стан технологічної системи невідомий, змінами параметрів системи можна зневажити; 4 - стан технологічної системи невідомий, змінами параметрів системи зневажити не можна.

Для першого з розглянутих випадків використовуються системи програмного керування, для другого - системи керування по збурюванню, для третього - системи керування по відхиленню, для четвертого випадку - системи з комбінованим керуванням.

Однак, внаслідок відсутності адекватних моделей процесів, які протікають, збурювань ТС, комплексу засобів діагностики, недоступності ряду параметрів безпосередньому виміру і контролю, вони не одержали широкого поширення.

Частина параметрів, необхідних для побудови системи керування, недоступна прямому виміру. До числа таких параметрів відноситься фактична глибина різання, від динаміки якої, як було показано вище, істотно залежить стабільність параметрів якості поверхонь при чистовому і тонкому шліфуванні. Однак, внаслідок відносної малості зони контакту, безпосередній вимір у цій зоні фактичної глибини різання прямими методами дуже важкий, що приводить до необхідності непрямих, чи сукупних вимірів. Одним із шляхів оцінки (діагностики) є визначення координат центрів шліфувального круга і деталі при відомому початковому значенні міжцентрової відстані і швидкості її зміни. Такі виміри неможливо здійснити точно внаслідок того, що ряд чинників, які впливають на процес обробки, не мають закономірного характеру, що впливає на похибку вимірів. Зокрема, випадковим виявляється як поточне відхилення радіуса-вектора шліфувального круга, так і поточне значення радіуса-вектора деталі.

Вирішення задачі про оцінку незмінних параметрів може бути забезпечене підходом, заснованим на застосуванні схем із “стохастичним спостерігачем”, де оцінка незмінних компонентів проводиться за результатами моделювання динаміки технологічної системи, із вхідним сигналом, який відповідає сигналу керування, що надходить на реальний динамічний об'єкт - технологічну систему. Для обліку впливу статистичних властивостей поточних відхилень радіусів-векторів шліфувального круга і деталі необхідно додатково до вхідного сигналу подавати на вхід моделі системи випадковий процес з такими ж стохастичними характеристиками, як у поточного відхилення радіуса-вектора шліфувального круга. Відповідний випадковий вхідний сигнал може бути отриманий за допомогою формуючого фільтра.

Принцип одержання випадкового процесу з заданими параметрами - спектральною характеристикою (кореляційною функцією) ілюструється на рис. 1.

Рис. 1 - Схема одержання шуму з заданими параметрами за допомогою формуючого фільтра.

Вихідна координата формуючого фільтру за своїми статистичними параметрами відповідає параметрам компоненту динамічної системи, який характеризує процеси впливу шліфувального круга на деталь в процесі шліфування. Для настроювань формуючого фільтра використовуються результати статистичної обробки профілограм робочої поверхні шліфувального круга

З часом, значення перемінних і їхніх оцінок спостерігачем неминуче розходяться внаслідок, наприклад, відмінностей дійсних значень відхилень радіусів-векторів і їхніх моделей. Доцільне використання блоку підстроювання станів спостерігача у формі фільтра Калмана-Бюсі (Рис. 2), який здійснює необхідну корекцію вхідних сигналів, забезпечуючи мінімально можливе значення середньоквадратичного відхилення .

Отримані оцінки мають найменшу з можливих дисперсію (за умови гаусовських шумів вимірів) і придатні для використання в системах керування по відхиленню. Така система повинна стабілізувати поточні режими щодо режимів, які задаються умовами граничного технологічного циклу з мінімально припустимими запасами (рис. 2).

Рис. 2. Система керування, яка забезпечує реалізацію порогових граничних циклів.

Таким чином, для вирішення проблеми забезпечення стабільності заданих параметрів якості поверхонь при високопродуктивному чистовому і тонкому шліфуванні на автоматизованому устаткуванні необхідно розробити технологічні основи забезпечення якості і підвищення стабільності високопродуктивного чистового і тонкого шліфування, які включають у себе:

1. Методику розрахунку порогових граничних циклів програмного керування операцією чистового і тонкого шліфування, що потребує:

- виконати формалізований опис операції чистового і тонкого шліфування, враховуючи наявність декількох одночасно протікаючих процесів формоутворення: кінематику рухів деталі, інструмента та окремих ріжучих кромок; їхню зміну за період стійкості інструменту; зміну форми робочої поверхні інструменту; якість поверхні деталі; і здійснити перевірку адекватності отриманих залежностей. Опис повинен дозволяти прогнозувати поводження технологічної системи в будь-який момент часу при будь-яких алгоритмах зміни технологічних режимів;

- сформувати технічні обмеження на основі отриманого опису і відомих методів оптимізації і критеріїв ефективності, розрахувати порогові граничні цикли.

2. Методику динамічної стабілізації поводження технологічної системи відносно режимів, які задані умовами граничних технологічних циклів, з мінімально припустимими запасами, для чого:

- на основі вивчення процесів, які відбуваються в технологічній системі при взаємодії деталі і шліфувального круга, розробити модель динамічного об'єкту, який характеризує відхилення від статичного режиму. Для обліку статистичних властивостей поточних відхилень радіусів-векторів шліфувального круга і деталі побудувати формуючий фільтр і визначити його параметри;

- для діагностики ТС на основі динамічної моделі процесу побудувати стохастичний спостерігач із блоком стохастичного підстроювання у формі фільтра Калмана-Бюсі. На основі розроблених моделей, для умов роботи з граничними режимами, побудувати динамічні оцінки поточних параметрів технологічної системи, необхідних для реалізації граничних циклів операцій чистового і тонкого шліфування;

- на основі отриманих динамічних моделей і оцінок, розробити автоматичну систему для стабілізації параметрів технологічної системи в процесі її функціонування.

В третьому розділі виконано формалізований опис операції чистового і тонкого шліфування. На підставі аналізу взаємодії шліфувального круга і заготовки в роботі отримано різницеве рівняння, яке характеризує баланс переміщень у технологічній системі:

, (3)

де - радіальне знімання матеріалу при - ому контакті поверхні з інструментом, - поперечна (радіальна) подача; - знос інструмента; - збільшення пружних і температурних деформацій.

Рівняння (3) характеризує зміну стану технологічної системи для будь-якого моменту часу і справедливо для схем круглого, плоского і торцьового шліфування. Його аналіз показує, що поперечна подача на - ому оберті (проході) витрачається на збільшення глибини мікрорізання, компенсацію радіального знімання матеріалу попереднього оберту, знос круга, збільшення пружних і температурних деформацій.

В якості показників, які характеризують процес знімання матеріалу при шліфуванні, у роботі прийняті ймовірності видалення і невидалення матеріалу . Такі параметри дозволяють, як оцінювати основні закономірності знімання припуску при шліфуванні, характеристики одиничних зрізів, так і мікрорельєф шліфованої поверхні.

У загальному випадку при чистовому і тонкому шліфуванні, наприклад спеціалізованої кераміки і струмопровідних покриттів, застосовуються комбіновані методи шліфування, при яких знімання матеріалу, здійснюється за рахунок комбінації процесів мікрорізання-сколювання, крихкого об'ємного руйнування та ерозійного видалення матеріалу.

Видалення матеріалу в зоні контакту в результаті впливу мікрорізання-сколювання, крихкого об'ємного руйнування та ерозійного процесу можна розглядати як випадкову подію, яка характеризується спільною імовірністю видалення матеріалу деталі хоча б одним з вищевказаних процесів.

Загальна імовірність видалення визначається:

(4)

де - імовірність того, що матеріал не видалений за рахунок мікрорізання; - імовірність того, що матеріал не видалений за рахунок об'ємного крихкого руйнування, - імовірність ерозійного неруйнування матеріалу.

Це рівняння також може бути представлено у формі:

(5)

де - показник, що визначає імовірність видалення матеріалу на рівні до входу поверхні в зону контакту деталі з шліфувальним кругом; - показники, які визначають зміну імовірності видалення матеріалу в зоні контакту деталі з шліфувальним кругом за рахунок протікання процесів механічного різання, крихкого об'ємного руйнування, ерозійного видалення матеріалу відповідно; - відстань від зовнішньої поверхні заготовки до розглядаємого рівня; - поточний момент часу.

При обчисленні й у дисертаційній роботі абразивні зерна робочої поверхні розділені на такі, що роблять мікрорізання матеріалу, і які сколюють матеріал заготовки. Число зерен, які потенційно ріжуть, визначається залежністю

, (6)

де - імовірність події, що випадково обране зерно робить сколювання матеріалу.

На основі обробки експериментальних даних для розрахунку запропонована залежність

, (7)

де і - коефіцієнт і показник ступеня, які залежать від властивостей оброблюваного матеріалу, режиму шліфування і характеристики інструмента.

Для процесу шліфування торцем шліфувального круга при розрахунку імовірності рівняння для показника ступеня при експоненті має вигляд

(8)

Обчислюючи інтеграл (на виході зерен із зони контакту), отримане вираження:

(9)

де; - коефіцієнт стружкоутворення; , - коефіцієнти форми зерен; - фактична глибина мікрорізання; - відстань від умовної зовнішньої поверхні інструменту до вершини зерна; - кількість зерен в одиниці об'єму робочого шару інструменту; , - колова швидкість інструменту і заготовки; - величина шару робочої поверхні шліфувального кругу, у межах якої підраховується .

При протіканні процесу крихкого об'ємного руйнування, наприклад, при обробці кераміки, ширина одиничної риски , як результат взаємодії зерна інструменту з деталлю, більше його фактичної ширини .

Для апроксимації використовується ступенева залежність:

, (10)

де - величина збільшення знімання матеріалу в процесі крихкого руйнування кераміки.

Аналогічно отримано показник ступеня a₂ рівняння (5)

, (11)

де

Для одержання відповідних залежностей для схем круглого і плоского шліфування провели заміну перемінної на у вираженнях, які визначають зміну параметрів імовірності в зоні контакту деталі з шліфувальним кругом:

(12)

(13)

де , , , - відстань від основної площини до перетинання рівня з траєкторією руху найбільш вилученої від центру ріжучої кромки; - дійсна глибина різання на відстані z від основної площини;- еквівалентний діаметр.

Залежності для розрахунку імовірності невидалення матеріалу при наявності ерозійних процесів отримані виходячи з наступних розумінь:

Показник являє собою математичне чекання сумарної ширини ерозійних лунок, які пройшли через розглянутий перетин (рис. 3):

(14)

де - середня кількість лунок на одиницю довжини перетину заготівлі; - ширина ерозійної лунки на рівні в заготівлі.

Кількість лунок на поверхні заготовки знайдемо з твердження, що розряди формуються насамперед у місцях виникнення стружок. Ширина лунки одиничного розряду визначається при вирішенні теплової задачі.

Рис. 3. - До розрахунку імовірності видалення матеріалу заготовки ерозійними розрядами.

Підставляючи знайдені значення в (14) і встановлюючи межі, виходячи з кінематики обробки, одержимо показник, який визначає імовірність ерозійного видалення матеріалу заготовки в точці з координатою z зони контакту і на рівні y:

(15)

де - відстань між двома сусідніми лунками на поверхні зв'язки інструмента в розглянутому перетині; - глибина лунки; - поточна координата, яка визначає положення ерозійних лунок від найбільш глибокої западини, залишеної ерозійним розрядом; - коефіцієнт форми; y - відстань від зовнішньої поверхні заготівлі до рівня, на якому матеріал вважається невилученим (шар вилученого матеріалу); - швидкість ковзання плями розряду по деталі; - напруга на електродах;

;

;

;

- електропровідність плазми; - швидкість розльоту часток; - питома теплопровідність заготовки; - теплота плавлення електрода; - початкова температура електрода; - температура плавлення електрода; - щільність заготовки; - радіус каналу розряду; - коефіцієнт корекції радіусу каналу розряду; k_эр - коефіцієнт, що враховує кількість стружок, які не викликають розряд.

Після інтегрування по z і u отримане вираження для розрахунку показника :

(16)

де , ;

З деякими змінами, насамперед меж інтегрування, отримані залежності можуть бути використані для моделювання ерозійного знімання матеріалу при шліфуванні заготовки торцем круга. Для процесу шліфування торцем круга розрахунок імовірності видалення матеріалу виконується в тій же послідовності, як і для круглого зовнішнього шліфування. Залежність для розрахунку імовірності невидалення матеріалу для процесу ерозійного руйнування має вигляд:

 , (17)

Обчислення сумарної імовірності невидалення матеріалу виконується по рівнянню (5). З урахуванням, що для зовнішньої поверхні деталі , для розрахунку знімання матеріалу в зоні контакту заготівлі з інструментом одержимо математичні моделі :

- при круглому чи плоскому зовнішньому шліфуванню:

(18)

- при шліфуванні торцем шліфувального круга:

(19)

де

Отримані залежності (18) і (19) дозволяють розраховувати знімання матеріалу при комбінації процесів мікрорізання - сколювання, крихкого об'ємного руйнування і ерозійного видалення матеріалу. Запропоновані моделі і методика дозволяють проводити аналіз закономірностей знімання матеріалу в зоні контакту заготовки з інструментом не тільки для звичайних, але і для комбінованих процесів шліфування.

Імовірносний підхід дозволив здійснити моделювання стану робочої поверхні інструмента за період його стійкості.

Число ріжучих кромок на робочій поверхні інструменту може змінюватися: - збільшуватися безпосередньо після виправлення, і - зменшуватися в процесі шліфування внаслідок того, що частина зерен із ріжучими кромками руйнується і виривається із зв'язки шліфувального круга.

Швидкість зносу вершини виступаючого зерна характеризується залежністю

, (20)

де - величина відносного зносу зерна; -імовірності невидалення матеріалу, - частота обертання круга.

У свою чергу швидкість зменшення загального числа ріжучих кромок пропорційної імовірності руйнування кожної з кромок при одиничному контакті оброблюваної поверхні з абразивним кругом і числу таких контактів за одиницю часу:

, (21)

У припущенні, що в роботу вступають всі абразивні зерна, які лежать у шарі товщиною , рівному зносу інструмента, число ріжучих кромок на одиниці його поверхні в момент часу t з урахуванням (21) може бути визначене як:

(22)

У процесі роботи шліфувального круга внаслідок зносу зерен відбувається зміна рівня u як внаслідок зносу найбільш виступаючих , так і внаслідок зносу інших зерен розглянутого шару з робочими кромками .

Для аналізу впливу зносу на функцію розподілу ріжучих кромок виділимо на поверхні круга після його правлення і після зносу за час шари з однаковим числом вершин ріжучих кромок. Для цього досить перемістити умовну зовнішню поверхню на величину зносу найбільш виступаючих зерен , а рівень u на величину зносу кромок цього рівня .

Координату рівня від нової умовної поверхні інструмента при цьому позначимо

(23)

Якщо немає руйнування зерен, то функція щільності розподілу не перетерпає зміни, тобто

(24)

Спільне використання (23) і (24) дозволяє записати інтегральну функцію щільності імовірності розподілу ріжучих кромок у вигляді

, (25)

Диференціальну функцію щільності імовірності розподілу зерен по глибині абразивного кругу можна одержати безпосереднім диференціюванням залежності (25) і після застосування (24) до правої частини отриманого співвідношення одержати

 . (26)

Якщо величина зносу ріжучих кромок, пропорційна відстані, тобто , а щільність розподілу після виправлення моделюється ступеневою залежністю вигляду

, (27)

де - коефіцієнт форми при апроксимації ширини профілю зношеного зерна, то імовірність збільшення числа зерен у робочому шарі інструмента визначиться інтегруванням по в межах від до :

(28)

Помножив на , одержимо вираження для розрахунку кількості ріжучих кромок у робочому шарі інструменту:

(29)

Швидкість приросту числа зерен може бути визначена безпосереднім диференціюванням за часом співвідношення (29):

 , (30)

де ;; ;

Загальна швидкість зміни числа зерен у відповідності (20), (21), (30) охарактеризовується системою диференціальних рівнянь вигляду.

(31)

з початковими умовами при ф = 0.

На основі розроблених залежностей можливе аналітичне визначення параметрів шорсткості для процесу шліфування, які дозволяють розраховувати відносну опорну довжину профілю, шляхом розрахунку імовірності невидалення матеріалу на рівні :

; (32)

середнього арифметичного відхилення профілю :

; (33)

і висоту шару, у якому розподілена шорсткість

 . (34)

Отриманий формалізований опис операції чистового і тонкого шліфування дозволяє оцінювати стани технологічної системи, служить основою для побудови порогових граничних циклів.

В четвертому розділі здійснена перевірка адекватності формалізованих моделей процесу чистового і тонкого шліфування.

Для практичного використання розробленого в розділі 3 формалізованого опису операції чистового і тонкого шліфування необхідно перевірити адекватність отриманої математичної моделі реальному процесу і визначити ряд параметрів, які входять у її склад. Для перевірки адекватності використовувалися матеріали експериментальних досліджень, виконаних під керівництвом і при особистій участі автора в лабораторних умовах Севастопольського національного технічного університету та у виробничих умовах ряду машинобудівних підприємств.

Проведені якісна і кількісна оцінки свідчать про адекватність математичної моделі процесу чистового і тонкого шліфування, розробленої в третьому розділі, реальному процесу. Запропонована математична модель може бути широко використана для вирішення питань керування точністю і якістю обробки на операціях чистового і тонкого шліфування.

П'ятий розділ присвячений розрахунку порогових граничних циклів керування операцією чистового і тонкого шліфування

Для побудови порогових граничних циклів у роботі був виконаний формалізований опис обмежень.

Початковий стан робочої поверхні інструменту визначається параметрами, отриманими після правлення кола, кінцеве - наприкінці стійкості інструмента. Останнє характеризується такими технологічними параметрами, як максимально припустима хвилястість , або максимально припустима величина зносу :

і (35)

Стан заготовки, після j-го контакту з кругом задається поточним радіус-вектором (чи висотою деталі при плоскому шліфуванні), де - полярний кут; просторовими відхиленнями; найбільшою висотою профілю шорсткості ; глибиною дефектного шару .