Наукові основи ефективного шліфування зі схрещеними осями абразивного інструменту та оброблюваної деталі

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

НАУКОВІ ОСНОВИ ЕФЕКТИВНОГО ШЛІФУВАННЯ ЗІ СХРЕЩЕНИМИ ОСЯМИ АБРАЗИВНОГО ІНСТРУМЕНТУ ТА ОБРОБЛЮВАНОЇ ДЕТАЛІ

Кальченко Володимир Віталійович

Харків - 2006

Анотації

Кальченко В.В. Наукові основи ефективного шліфування зі схрещеними осями абразивного інструмента та оброблюваної деталі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.01 - Процеси механічної обробки, верстати та інструменти. - Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2006.

У дисертації вирішено науково-технічну проблему підвищення ефективності абразивного шліфування різноманітних поверхонь за рахунок раціонального профілювання та перехрещення осей інструмента і деталі в процесі зняття припуску і формоутворення. Вперше на базі трьох модулів розроблено ієрархію загальних 3D геометричних моделей формоутворювальних систем верстатів, процесу зняття припуску, формоутворення, інструментальних і оброблюваних поверхонь. Запропоновано нову концепцію профілювання абразивного інструмента і відповідну загальну 3D геометричну модель, які враховують кількість одночасно оброблюваних деталей одним кругом, форму заготовки і оброблюваної деталі, цикл шліфування та кут схрещення осей інструмента і деталі. Теоретично обґрунтовано новий принцип поздовжнього шліфування циліндричних і криволінійних поверхонь на верстатах з ЧПК з компенсацією зносу шліфувального круга. Вперше визначено і регламентовано вплив стабілізації положення центрів сфер і осей обертання циліндричних деталей на геометричну точність при безцентровому поздовжньому шліфуванні. Розроблено нову концепцію визначення потужності різання, теплового потоку та зносу профілю круга на базі загальної моделі продуктивності шліфування в залежності від об'ємів металу, що зрізається і деформується. На базі аналізу модульних 3D моделей розроблено та впроваджено у виробництво нові способи шліфування.

Ключові слова: шліфування, профілювання, перехрещення осей, модуль, 3D геометричні моделі, формоутворення, продуктивність.

шліфування деталь інструмент

Кальченко В.В. Научные основы эффективного шлифования со скрещивающимися осями абразивного инструмента и обрабатываемой детали. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.01 - Процессы механической обработки, станки и инструменты. - Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт”, Харьков, 2005.

В диссертации решена научно-техническая проблема повышения эффективности абразивного шлифования разнообразных поверхностей за счет рационального профилирования и скрещивания осей инструмента и детали в процессе снятия припуска и формообразования. Впервые на базе трех модулей разработаны общие 3D геометрические модели формообразующих систем шлифовальных станков, их точности, процесса съема припуска, формообразования, инструментальных и обрабатываемых поверхностей. Предложена новая схема шлифования со скрещивающимися осями абразивного инструмента и обрабатываемой детали, которая является общей для широкой номенклатуры распространенных формообразуемых поверхностей (цилиндрических, торцевых, сферических, торовых, винтовых, игольчатых, криволинейных). Новая схема обобщает не только объекты обработки, но и многие способы шлифования: шлифование с фиксированным положением одной детали, обрабатываемой одним инструментом; бесцентровое шлифование с переменным текущим положением оси обрабатываемой детали; групповое шлифование нескольких деталей одним инструментом. Схема может быть использована не только для способов со скрещивающимися осями, но и для традиционного шлифования с параллельными осями при расчете допускаемых отклонений взаимного положения осей, обеспечивающих требуемую точность. Разработана иерархия общих модульных 3D моделей и на их базе частные модели, описывающие формообразующие системы шлифовальных станков при правке абразивных кругов и при шлифовании со скрещивающимися осями цилиндрических, торцовых, сферических, игольчатых, торовых, винтовых, криволинейных и других поверхностей. Эти модели представляют собой произведение унифицированных модулей, а каждый из них - произведение трех однокоординатных матриц четвертого порядка. Это упрощает расчеты при решении прямой и обратной задач теории формообразования. Предложена новая концепция профилирования абразивного инструмента и соответствующая общая 3D геометрическая модель, которые учитывают количество одновременно обрабатываемых деталей одним кругом, форму заготовки и обрабатываемой детали, цикл шлифования и угол скрещивания осей инструмента и детали. Впервые определено и регламентировано влияние стабилизации положения центров сфер и оси вращения цилиндрических деталей, в процессе съема припуска и формообразования, на геометрическую точность при бесцентровом продольном шлифовании. Разработана новая концепция определения мощности резания, теплового потока и износа профиля круга на базе общей модели производительности шлифования в зависимости от объемов срезаемого и деформируемого металла. На базе анализа модульных 3D моделей разработаны и внедрены новые эффективные способы шлифования цилиндрических, торцовых, сферических, игольчатых, торовых, винтовых и криволинейных поверхностей со скрещивающимися осями инструмента и детали.

Ключевые слова: шлифование, профилирование, скрещивание осей, модуль, 3D геометрические модели, формообразование, производительность.

Kalchenko V.V. Scientific bases of the effective polishing with the crossing axes of abrasive instrument and processed detail. - Manuscript.

Thesis for doctor's degree in technical sciences on specialty 05.03.01 - machining processes, machines and tool. - National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”, Kharkiv, 2005.

The thesis resolves the scientific and technical problem how to increase the efficiency of the various surfaces abrasive polishing due to rational profiling and crossing the axes of the instrument and the detail in the process of machining allowance removal. General 3D geometrical models of the polishing machine-tools shaping systems, their accuracy, process of machining allowance removal, shaping, instrumental and processed surfaces have been developed based on 3 modules for the first time. There has been developed the hierarchy of the general module 3D models and on their base particular models, describing the form-building systems of polishing machines in the process of abrasive discs correction and crossing axes polishing with the of cylindrical, butt end, spherical, needle-shaped, smooth, spiral, curvilinear and other surfaces. These models represent the uniform modules product, and each of them is a product of three one-coordinate matrices of the fourth order. It simplifies calculations in solving primal and invert problems of the form-building theory. A new conception of abrasive instrument profiling and a proper general 3D geometrical model have been offered. They take into account a number of parts, simultaneously processed with one disk; a blank form and a form of a processed detail; a polishing cycle and a crossing angle of instrument and part axes. For the first time there has been defined and regulated a stabilization effect of sphere center position and cylindrical parts rotation axis in the process of machining allowance removal and form-building on geometrical accuracy in case of centreless polishing longitudinal polishing. There has been developed a new determination methodology of cutting capacity, heat flow and disk profile wear based on a general model of polishing output depending on the volume of cutting and deforming metal. Based of the module 3D models analysis there have been developed and introduced new effective polishing methods of cylindrical, butt end, spherical.

Key words: polishing, profiling, crossing of axes, module, 3D geometrical models, form-building, productivity.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В сучасному машинобудуванні широко використовуються деталі з високоточними циліндричними, торцевими, сферичними, торовими, гвинтовими і криволінійними поверхнями, остаточна якість яких визначається фінішними операціями. Тому збільшується трудомісткість операцій, здійснюваних на шліфувальних, доводочних та інших верстатах, які оснащені абразивними інструментами.

Ефект схрещування осей абразивного інструмента і оброблюваної деталі є в багатьох способах шліфування, проте, в одних випадках він є негативним явищем, а в інших - позитивним. Наприклад, при урізному шліфуванні циліндричних і ступінчастих валів з паралельними осями на круглошліфувальних верстатах кут схрещування осей деталі та інструмента визначає точність обробки, зі збільшенням якого точність формоутворення знижується. У цій групі способів шліфування кут схрещування негативно впливає на результати шліфування і потрібно визначати максимально допустимі значення цього кута, при яких забезпечується отримання необхідної точності формоутворення поверхонь.

Разом з тим, в останні роки показана можливість і доцільність використання способів шліфування, в яких кут схрещування між осями інструмента і деталі позитивно впливає на процес обробки. У цій групі способів потрібно задавати значний кут схрещування між осями інструмента і деталі. Цей кут є параметром, який визначає ефективність шліфування, від нього залежить величина і розподіл шару, що зрізається, теплонапруженість процесу, розташування і стійкість формоутворювальної ділянки круга. Потрібно визначити раціональні (стаціонарні або керовані) кути схрещування, профілі кругів, їх взаємозв'язок з іншими параметрами для забезпечення високої продуктивності і точності.

Відомо, що впровадження операцій шліфування на верстатах з ЧПК відстає, наприклад, від операцій фрезерування. Головною причиною цього є низька стійкість профілю абразивного інструмента, особливо при шліфуванні криволінійних поверхонь великогабаритних трубовальцевих і листовальцівних валків, які мають високу твердість і великі припуски на обробку. Саме схрещування осей круга і деталі при шліфуванні з поздовжньою подачею циліндричних і криволінійних поверхонь визначає раціональне положення формоутворювальної ділянки. Поєднання цієї ділянки з нормаллю по координаті обробки дає можливість шляхом адаптивного керування компенсувати вплив зносу профілю круга на точність формоутворення і підвищує стійкість абразивного інструмента.

Отже, створення узагальненої наукової бази для шліфування зі схрещеними осями, розробка 3D моделювання і впровадження нових способів такого шліфування з охватом широкої номенклатури оброблюваних деталей різного призначення є суттєвим резервом інтенсифікації і підвищення ефективності процесів. При шліфуванні циліндричних, торцевих, сферичних, голчастих, торових, гвинтових і криволінійних поверхонь це дозволить суттєво підвищити продуктивність, точність виробів і стійкість інструментів. Це значна наукова і технологічна проблема, що має важливе народногосподарське значення для машинобудування, вальничної, текстильної і автомобільної промисловостей, верстатобудування, трубовальцевого виробництва і енергетики України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися відповідно до координаційного плану Державної науково-технічної програми Міністерства освіти і науки України за напрямом “Високоефективні технологічні процеси в машинобудуванні” на 2000-2005роки, а також відповідно до госпдоговірної і держбюджетної тематики кафедри “Металорізальні верстати та системи” Чернігівського державного технологічного університету, а саме, за госпдоговірною темою №398 (1998-1999р.р.) „Розробка технології одночасного шліфування двох торців пружин” та чотирма держбюджетними темами:

№ 47/96 від 01.01.1996р. „Розробка теоретичних основ шліфування поверхонь обертання орієнтованим інструментом” (1996-1998 р.р.) ДР №0196U003329;

№ 52/99 від 01.01.1999р. „Розробка теоретичних основ та способів шліфування торців циліндричних деталей орієнтованим і профільованим інструментом” (1999-2001р.р. ДР № 0199U003860);

№57/02 від 01.01.2002р. „Розробка теоретичних основ, методів керування процесами та нових способів шліфування криволінійних поверхонь на верстатах з ЧПК” (2002-2004р.р., ДР №0102U000703);

№63/05 від 01.01.2005р. „Розробка теоретичних основ ефективного шліфування, профілювання і зносу інструмента при перехрещених осях його та деталі” (ДР № 0205U002013).

Здобувач був відповідальним виконавцем вказаних госпдоговірної та держбюджетних науково-дослідних тем.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертації - підвищення ефективності шліфування різноманітних поверхонь деталей за рахунок розробки і реалізації наукових основ специфічного процесу шліфування зі схрещеними осями інструмента і деталі як бази для створення нових способів шліфування і визначення умов та областей їх раціонального застосування.

Для досягнення мети в дисертації вирішуються наступні основні задачі:

1. Виявити потенціал схрещування осей абразивного інструменту і оброблюваної деталі при шліфуванні різноманітних поверхонь та його вплив на процеси зняття припуску, формоутворення, профіль інструменту, характер і інтенсивність його зносу, продуктивність, точність та якість обробки.

2. Запропонувати нову концепцію профілювання абразивного інструмента, яка враховує геометричні параметри деталі і заготовки, а також цикл шліфування і кількість одночасно оброблюваних деталей одним кругом.

3. Визначити потужність різання, тепловий потік і знос профілю круга в залежності від об'єму матеріалу, що зрізається та деформується на основі аналізу розробленої загальної моделі продуктивності шліфування.

4. Розробити новий підхід до керування кутом схрещування і процесом поздовжнього шліфування циліндричних, голчастих і криволінійних поверхонь на верстатах з ЧПК, який дозволяв би компенсувати вплив зносу профіля круга на точність формоутворення.

5. Запропонувати і реалізувати 3D моделі безцентрового шліфування циліндричних і сферичних поверхонь зі стабілізацією положення центрів сфер і осі заготовок циліндричних деталей в процесі зняття припуску і формоутворення.

6. На базі аналізу отриманих загальних 3D моделей розробити і впровадити нові способи шліфування зі схрещеними осями інструмента і деталі.

Об'єкт дослідження - процес шліфування сталевих деталей абразивними інструментами.

Предмет дослідження - процес шліфування з управлінням схрещенням осей абразивного інструмента та оброблюваної деталі і його 3D геометричне моделювання.

Методи дослідження. В теоретичних дослідженнях використані фундаментальні положення теорії різання матеріалів, теорії формоутворення поверхонь, технології машинобудування, геометричного моделювання, теоретичної механіки, опору матеріалів, теорії вірогідності і розділів математичного аналізу. Використані апарат диференціального і інтегрального числення функцій однієї і декількох перемінних, векторної алгебри, математичної статистики, дискретної математики, алгебри логіки і операцій над множинами, методи візуально-орієнтованого програмування. Результати, висновки і рекомендації підтверджені обчислювальними комп'ютерними експериментами з використанням алгоритмів і моделей, розроблених здобувачем.

Експериментальні дослідження виконувалися на модернізованих здобувачем верстатах з використанням сучасної контрольно-вимірювальної апаратури. Достовірність теоретичних положень роботи підтверджується результатами експериментальних досліджень і практикою промислового впровадження.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Висунуто і доведено наукове положення про цілеспрямоване управління схрещуванням осей абразивних кругів і оброблюваних деталей як потужний потенціал впливу на процеси формоутворення поверхонь, фізико-механічні явища, які відбуваються в зоні шліфування, характер та інтенсивність зносу інструменту, точність і якість обробки деталей.

2. Запропоновано наукове положення про можливість і доцільність вирішення прямої і зворотної задач теорії формоутворення за допомогою тривимірних геометричних моделей, які представлені у вигляді добутку уніфікованих модулів (циліндричного, прямокутного сферичного). Кожен з модулів являє собою добуток трьох однокоординатних матриць четвертого порядку і має постійне математичне описання не залежно від його функціонального призначення.

3. Розроблено сукупність загальних взаємозв'язаних геометричних 3D моделей для способів шліфування зі схрещеними осями абразивного інструмента і оброблюваної деталі. Запропоновано ієрархію загальних 3D моделей, яка визначається кількістю модулів в добутку, і на їх базі частинні моделі, які описують: а) багато формоутворюваних та інструментальних поверхонь з різною структурою; б) процеси зняття припуску і формоутворення; в) формоутворювальні системи верстатів для шліфування і заточування. Уніфікація модулів і їх матричне представлення спрощують комп'ютерну реалізацію моделей.

4. Запропоновано методику управління схрещенням осей абразивного інструмента і оброблюваної деталі, яка є загальною для широкої номенклатури розповсюджених поверхонь (циліндричних, торцевих, сферичних, торових, гвинтових, голчастих, криволінійних). Вона узагальнює низку способів: шліфування з фіксованим положенням однієї деталі, оброблюваної одним інструментом; безцентрове шліфування зі змінним поточним положенням осі оброблюваної деталі; групове шліфування декількох деталей одним інструментом. Методика може бути використана не тільки для нових способів шліфування зі схрещеними, але і для традиційного шліфування з паралельними осями інструмента і деталі.

5. Запропонована нова концепція профілювання абразивного інструмента, яка враховує кількість одночасно оброблюваних деталей одним кругом, форми заготовки і деталі, цикл шліфування і кут схрещення осей.

6. Теоретично обґрунтовано новий принцип поздовжнього шліфування циліндричних і криволінійних поверхонь на верстатах з ЧПК, коли вісь повороту абразивного круга, перпендикулярну до осі його обертання, поєднують з нормаллю в опорній точці оброблюваної поверхні і круг повертають на кут, який забезпечує участь в зніманні припуску всією його периферією. При компенсації зносу круг переміщується в адаптивному режимі вздовж цієї нормалі, що суттєво зменшує вплив зносу на точність формоутворення.

7. Вперше визначено і регламентовано вплив стабілізації положення центрів сфер і осі обертання заготовок циліндричних деталей в процесі зняття припуску і формоутворення на геометричну точність при безцентровому поздовжньому шліфуванні.

8. Розроблено новий підхід до визначення потужності різання, теплового потоку і зносу профілю круга на базі загальної моделі продуктивності шліфування залежно від об'ємів матеріалу, який зрізається і деформується.

9. Розроблені нові ефективні способи шліфування циліндричних, торцевих, сферичних, голчастих, торових, гвинтових і криволінійних поверхонь зі схрещеними осями інструмента і деталі.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Одержана в дисертації сукупність загальних тривимірних моделей і методик в поєднанні з узагальненою схемою шліфування є науковою базою для створення нових способів і верстатів для ефективного шліфування зі схрещеними осями, а також можуть служити геометричною базою автоматизованих систем проектування і виробництва CAD/CAM технологічного і інструментального призначення.

2. Запропонований метод компенсації зносу шліфувального круга на верстатах з ЧПК керованим переміщенням його вздовж нормалі до оброблюваної поверхні підвищує стійкість круга, який працює в режимі самозаточування, і спрощує керуючі програми, які тепер не залежать від величини припуску, що знімається, зміни діаметра круга і його профілю внаслідок зносу.

3. Складені алгоритми і програми комп'ютерного розрахунку форм повідного і шліфувального кругів в залежності від профілю і параметрів оброблюваної поверхні, заготовки і припуску, що знімається, при безцентровому шліфуванні циліндричних, торових і сферичних поверхонь.

4. Створена теоретична наукова база використана для розробки нових способів шліфування циліндричних, торцевих, сферичних, голчастих, торових, гвинтових і криволінійних поверхонь зі схрещеними осями деталі і круга. На способи одержано 6 патентів України, 3 рішення про видачу патентів України і оформлено 7 заявок на винаходи. З метою реалізації нових способів спроектовані і виготовлені експериментальні установки для дослідження процесів обробки неповних сферичних, голчастих, торцевих і криволінійних поверхонь.

5. Розроблені і впроваджені у виробництво практичні рекомендації з використання наукових розробок на Чернігівському ВАТ “ЧЕКСІЛ-Аріадна”, Чернігівському науково-виробничому об'єднанні “МАГР”, Прилуцькому заводі “ПОЖСПЕЦМАШ”, Харківському заводі верстатобудування ВАТ “ХАРВЕРСТ”, ВАТ “Новокраматорський машинобудівний завод” (м. Краматорськ).

Загальний економічний ефект від впровадження результатів роботи склав більше 360тис.грн.

Результати і методики дисертації використовуються в навчальному процесі на кафедрі металорізальних верстатів та систем Чернігівського державного технологічного університету.

Особистий внесок здобувача. Теоретичні і експериментальні дослідження, розробка алгоритмів і програмного забезпечення, модельні випробування виконані здобувачем самостійно. Постановка задач і аналіз результатів дослідження зроблені разом з науковим консультантом. Роботи по підготовці патентів і деяких статей виконані з участю співавторів. Розробка технічної документації, модернізація устаткування і проведення виробничих випробувань виконані разом із співробітниками кафедри “Металорізальні верстати та системи” Чернігівського державного технологічного університету. Визначальні наукові і практичні результати одержані здобувачем самостійно.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися й одержали позитивну оцінку на 16 міжнародних конференціях і семінарах: “Високі технології в машинобудуванні: сучасні тенденції розвитку” (Харків-Алушта 1998, 1999, 2000); “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я” (Харків: ХДПУ-1999, 2000, 2002, 2003, 2004); “Проблеми теорії і практики технології машинобудування, механічної і фізико-технічної обробки” (Харків: ХНПК “ФЭД”-2000); “Технологія машинобудування: проблеми і перспективи” (Севастополь: СевДТУ, -2000); “Високі технології в машинобудуванні: розвиток і кадрове забезпечення” (Харків-Алушта, 2001, 2002); “Наука і соціальні проблеми суспільства: людина, техніка, технологія, навколишнє середовище. Micro CAD - 2001” (Харків: ХДПУ, - 2001); „Машинобудування та металообробка - 2003” (Кіровоград: КДТУ - 2003); “Високі технології: тенденції розвитку” (Харків-Алушта: НТУ „ХПІ”, 2003, 2005).

У повному обсязі дисертаційна робота доповідалася на кафедрах: “Металорізальні верстати та системи” Чернігівського державного технологічного університету, “Інтегровані технології машинобудування” Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”, на спеціальному засіданні XIV міжнародного науково-технічного семінару “Високі технології: тенденції розвитку” (Алушта, 2005).

Публікації. За результатами роботи опубліковано 69 наукових праць, з них 46 у фахових виданнях ВАК України, 34 без співавторів, 7 в інших виданнях, 6 деклараційних патентів України на винахід, 10 - матеріали міжнародних конференцій і семінарів.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 7 розділів, висновків і додатків. Повний обсяг дисертації включає 489 сторінок, з них 79 ілюстрацій по тексту, 67 ілюстрацій на 61 сторінці, 4 таблиці по тексту, 5 таблиць на 10 сторінках, 6 додатків на 89 сторінках, 297 літературних джерел на 32 сторінках.

2. Основний зміст роботи

Вступ. Обґрунтовано актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень, визначена наукова новизна і практичне значення результатів досліджень. Структурно-логічна схема досліджень представлена на рис. 1.

В першому розділі розглядається стан питання шліфування з паралельними і схрещеними осями інструмента і деталі, а також 3D моделювання процесів зняття припуску і формоутворення поверхонь.

Роботи перерахованих учених присвячені дослідженню процесів зняття припуску, формоутворення, профілювання інструменту, його зносу, продуктивності, точності і якості шліфування поверхонь з паралельними або перпендикулярними осями інструмента та деталі. Мало досліджень направлено на вивчення потенціальних можливостей процесу шліфування зі схрещеними осями. Разом з тим останніми роками показана доцільність способів шліфування, в яких керування кутом схрещування між осями позитивно впливає на процес.

Аналіз відомих 3D геометричних моделей процесу зняття припуску і формоутворення поверхонь показує, що вони охоплюють обробку окремих груп деталей: торцевих, криволінійних та інших. Сучасне машинобудування потребує з'єднання високого рівня і якості виробів з високою продуктивністю і гнучкістю виробництва. Це забезпечується, зокрема, застосуванням автоматизованих систем проектування і виробництва CAD/CAM, геометричним ядром яких повинні бути ефективні і універсальні 3D моделі.

У країнах з розвиненим машинобудуванням виражена тенденція розвитку тривимірного (3D) геометричного моделювання. Проте існуючі 3D моделі не достатньо враховують специфічні особливості абразивного інструмента, точність формоутворення і зняття припуску при шліфуванні поверхонь. В сучасних умовах, коли вітчизняне машинобудування намагається стати конкурентноздатним, гнучким і високоефективним, ця проблема набуває народногосподарського значення.

Проведений аналіз дозволив визначити основні задачі наукових досліджень.

В другому розділі запропоновано класифікацію функціонального призначення схрещування осей абразивного інструменту та оброблюваної деталі при шліфуванні різноманітних поверхонь і його вплив на процес зняття припуску, формоутворення, профіль інструменту, характер і інтенсивність його зносу, продуктивність, точність та якість обробки.

- інструмент для правки абразивного круга; і формоутворювальні системи верстата для правки абразивного інструмента і обробки деталі .

Радіус-вектор робочої поверхні абразивного інструмента, який при правці є оброблюваною деталлю (табл., 2), описується рівнянням

, (1)

де - радіус-вектор початку координат, який збігається з точкою алмазного олівця при профілюванні робочої поверхні абразивного круга ; - матриця переходу з системи координат точки алмазного олівця, яка профілює круг, в систему координат абразивного круга .

Радіус-вектор точок оброблюваної поверхні деталі 2 знаходимо з рівняння

, (2)

де - матриця переходу з системи координат заправленого абразивного інструмента 1 в систему координат деталі 2.

Аналіз, розробленої нами загальної схеми формоутворювальних систем верстатів при шліфуванні зі схрещеними осями інструмента 1 і деталі 2, показав, що загальна матриця переходу

(3)

з системи координат шліфувального круга в систему координат деталі є добутком 15-ти однокоординатних матриць четвертого порядку (4), що відповідає груповій обробці торців циліндричних деталей.

, (4)

де - матриці лінійних переміщень вздовж осей ; - матриці кутових поворотів відносно осей (Д.Н. Решетов, В.Т. Портман “Точность металлорежущих станков”, М.: Машиностроение, 1986, 336 с.);

- координати XYZ оброблюваної деталі 2 в системі координат барабана 4, який подає деталі;

, - координати барабана та круга 1 в системі координат станини; - координати точок робочої поверхні круга в його системі координат.

Дослідження матриці показало, що вона є загальною і при послідовному обнулінні аргументів ряду матриць може бути використана для опису 3D моделей оброблюваних поверхонь. Загальна 3D модель (2), дає можливість розраховувати за однією програмою частинні 3D моделі різних поверхонь деталей, що спрощує процес 3D моделювання. До недоліків викладеної вище загальної 3D моделі відноситься необхідність використовувати її незалежно від того, чи описуємо ми пласку лінію і аргументи 13 матриць дорівнюють нулю, або проводимо групову обробку ряду деталей, де працюють всі 15 матриць. Тому виникла необхідність створення ієрархії загальних 3D моделей.

Аналіз загальної матриці переходу показав, що вона складається з ряду функціональних модулів: - модуль інструмента, - модуль орієнтації інструмента відносно деталі, - модуль перетворення системи координат, - транспортно-подавальний модуль, - модуль формоутворення. При розробці будь-якої системи важливим чинником є створення її елементної бази, в нашому випадку це модулів, з яких вона складається.

Аналіз формоутворювальних систем верстатів показав, що залежно від їх типів обробка здійснюється в циліндричній, прямокутній і сферичній системах координат. Тому пропонується в якості модулів формоутворення застосовувати циліндричний С^ф (5), прямокутний P^ф (6) і сферичний S^ф (7), кожний з яких є добутком трьох однокоординатних матриць четвертого порядку.



,(5)

,(6)

.(7)

Під модулем розуміється - 3D геометрична модель, яка описує переміщення (положення) точки або їх сукупність в тривимірному просторі і має ряд функціональних призначень: формоутворення деталі та інструмента, його орієнтацію, транспортування і подачу деталі в зону обробки і перетворення систем координат. Модуль можна представити у вигляді добутку трьох однокоординатних матриць четвертого порядку (5, 6, 7). При кодуванні модулів (4, 5, 6, 7) в нижньому індексі вказуються аргументи цих матриць у порядку їх розташування в добутку, а верхній індекс вказує функціональне призначення модуля.

Рівень ієрархії загальних 3D моделей визначається числом модулів, які входять в загальну матрицю переходу (табл.) при описанні радіус-вектора оброблюваної поверхні.

Модуль формоутворення, який розташований на першому рівні ієрархії загальних 3D моделей, забезпечує геометричне моделювання поверхонь, наприклад, циліндричної , ліній, наприклад, криволінійної твірної, при , , а також формоутворення поверхонь 2 точковим інструментом 1, наприклад при токарній обробці, або правці круга алмазним олівцем . Модуль формоутворення, який розташований на першому рівні ієрархії, присутній у всіх модульних 3D моделях оброблюваних поверхонь (табл.). Це підтверджує, що він є головним і може бути циліндричним , прямокутним , або сферичним . Інструментальний модуль також присутній у всіх рівнях ієрархії, окрім першого, де застосовується точковий інструмент. Розташування інструментального модуля від другого до п'ятого рівнів залежить від складності формоутворювальної системи верстата. Інструментальний модуль може бути циліндричним , наприклад, для шліфувального круга 1, прямокутним , для абразивних брусків 1, або сферичним . Модуль орієнтації, як правило, сферичний і розташовується перед інструментальним .

При геометричному моделюванні поверхонь радіус-вектор початкової точки в рівнянні (2) збігається з оброблюваною поверхнею. Циліндричний модуль формоутворення включає три рухи формоутворення і є загальним для ряду поверхонь. При кодуванні поверхні до коду формоутворювальної системи верстата, наприклад , додається, після точки, буква , яка позначає, що формоутворена поверхня - циліндрична.

Другий рівень загальних моделей, де працює добуток двох модулів , що входять в радіус-вектор і код формоутворювальної системи верстата, описує загальну частину ряду поверхонь, які обробляються відомими способами при паралельних осях інструмента і деталі.

Перспективним при обробці однієї зафіксованої деталі одним інструментом є третій рівень, де працює добуток трьох модулів . Порівняно з другим рівнем додається модуль орієнтації інструмента 1 відносно деталі 2, який має різне функціональне призначення при обробці поверхонь. Так при шліфуванні циліндричних і ступінчастих валів методом копіювання, де схрещення осей знижує точність формоутворення, за допомогою модуля орієнтації визначають допустимі значення схрещення осей. Шліфування методом копіювання увігнутих та опуклих поверхонь зі схрещеними осями дозволяє застосувати нову концепцію профілювання інструменту, яка враховує не лише форму оброблюваної деталі, а і заготовки. За допомогою модуля орієнтації визначають оптимальні кути схрещення осей, які забезпечують зняття припуску з постійною глибиною різання вздовж профіля круга, рівномірне його завантаження та знос. При поздовжньому шліфуванні циліндричних, голчастих і криволінійних поверхонь схрещення осей забезпечує зняття припуску всією периферією та фіксує положення формоутворювальної ділянки шліфувального круга, суміщення якої з нормаллю дає можливість компенсувати вплив зносу профіля на точність формоутворення.

Групова обробка з круговою подачею деталей описується модульними 3D моделями 4-го і 5-го рівнів ієрархії. 4-тий рівень при паралельних осях (табл., 11, ), а 5-тий, з орієнтацією інструмента відносно оброблюваної деталі. За допомогою модуля орієнтації визначають оптимальні кути схрещення осей і форми кругів, які забезпечують підвищення продуктивності та точності при обробці торців, сферичних та циліндричних поверхонь при безцентровому шліфуванні.

На базі аналізу запропонованих модульних 3D моделей з орієнтацією інструмента по твірній, напрямній і навколо нормалі розроблені нові способи шліфування.

При визначенні інструментальної поверхні її розраховують за допомогою зворотної матриці із співвідношення

, (8)

що спрощує розрахунки при вирішенні прямої і зворотної задач теорії формоутворення за рахунок використання добутку одних і тих же модулів і матриць четвертого порядку, які описують матрицю переходу , але взятих в добутку (4), в зворотному порядку з аргументами зі зворотним знаком.

Розроблена загальна модель продуктивності шліфування поверхонь з осями інструментів і деталей, що схрещуються:

, (9)

де - кількість одночасно оброблюваних деталей 2;

- час обробки деталі; - кутові і радіальні (осьові) координати плями контакту круга 1 і деталі 2;

- вектор швидкості відносного руху круга і деталі;

- вектор нормалі в і-тій точці;

і - радіус і осьова координата круга в і-тій точці після правки; - знос профілю круга в і-тій точці після обробки деталей;- кут нахилу дотичної в і-тій точці профілю круга.

Дана модель дає можливість розраховувати локальну , питому , миттєву і середню продуктивності шліфування. Вона дозволяє враховувати поточний знос профілю круга, кількість одночасно оброблюваних деталей , також імовірність видалення матеріалу заготовки , яка розраховується за методикою професора Новосьолова Ю.К.

На базі розробленої загальної моделі продуктивності шліфування визначається потужність різання з виразу

, (10)

де - потужність, що витрачається на зняття одиниці об'єму, визначається експериментально на розробленій нами установці. Це дає можливість розраховувати локальну, питому, миттєву і середню потужності шліфування, підставляючи в неї (10) відповідні продуктивності. Знаючи потужність, можемо визначити щільність теплового потоку з виразу

, (11)

де - площа плями контакту круга і деталі;

- коефіцієнт, який враховує скільки тепла переходить в стружку, а скільки в деталь.

Розроблена модель зносу профілю круга, яка враховує обсяги матеріалу, який зрізається і деформується, залежно від величини нормальної складової швидкості подачі заготовки по координаті обробки.

, (12)

де - питомий об'єм металу, що зрізається, при ;

- питомий об'єм металу, який деформується при ;

- мінімальна товщина шару, що зрізається ріжучою кромкою; - час між контактами ріжучих зерен;

С_уin, С_qin - коефіцієнти питомого зносу абразивного круга, визначаються експериментально.

Розроблено загальну модель похибки шліфування поверхонь зі схрещеними осями кругів і деталей. Сумарний вектор похибки визначається з виразу

,(13)

депохибки: формоутворення , профілювання круга , зносу профілю круга і положення точки оброблюваної поверхні залежно від похибки положення ланок формоутворювальної системи верстата ( і ).

3D моделювання виконується на базі трьох уніфікованих модулів з постійним математичним описом кожного, що спрощує його процес. Ієрархія загальних моделей дозволяє спростити розрахунки порівняно з відомими загальними моделями для груп деталей. Модульне моделювання дає можливість не тільки аналізу 3D моделей, але і їх синтезу.

В третьому розділі доведено доцільність безцентрового глибинного шліфування циліндричних та сферичних поверхонь зі стабілізацією положення при русі центрів сфер і осі обертання заготовок циліндричних деталей в процесі зняття припуску і формоутворення. Стабілізацію положення забезпечено завдяки використанню нової концепції профілювання шліфувального, повідного кругів і опорного ножа (для сфер опорно-повідного диска). Це підвищило точність за рахунок скасування геометричної похибки формоутворення, яка присутня при обробці без стабілізації.

Аналіз обчислювальних експериментів шліфування новим способом торців циліндричних деталей, радіусом R=13мм при кутах орієнтації кругів =-0,09 і =0,06, показав, що продуктивність збільшилася на 25%, торцеве биття зменшилося на 30%, неплощинність торців не перевищує 3мкм, а непаралельність 6мкм. При однопрохідному шліфуванні торців циліндричних деталей точність формоутворення Z_Д залежить від характеру зносу круга, який впливає на фактичний його профіль R_іп, Z_іп. Дослідження на ЕОМ математичної моделі (12) зносу круга дають можливість прогнозувати його профіль після обробки партії деталей. На рис. 5 приведені два профіля круга: 1 - після профілювання його алмазним олівцем при кутах орієнтації круга =-0,09, =0,06; 2 - після обробки 80 пальців.

На рис.3,в представлено новий спосіб (пат. України № 10545) безцентрового шліфування сферичних поверхонь, які отримують за рахунок двох обертань навколо перехрещених осей за допомогою повідного круга 1₁ і опорно-повідного диска 5. Даний спосіб заснований на тому ж принципі, що і при шліфуванні торців циліндричних деталей, де виділена калібрувальна ділянка 9 на шліфувальному крузі 1, який не бере участі в знятті припуску з заготовки 11 діаметром D_З, але забезпечує формоутворення діаметра сферичної поверхні D_Д.

Підвищення точності безцентрового шліфування кульок на двосторонньому напівавтоматі 3342АДО забезпечується за рахунок стабілізації руху центрів сфер заготовки 11 і деталі 2₁ на радіусі R в процесі зняття припуску торцевою поверхнею 12 і формоутворення ділянкою 9 круга 1. Рух центрів сфер в площині, перпендикулярній осі обертання барабана, забезпечується дзеркальною правкою шліфувального 1 і повідного 1₁ кругів, а рух їх центрів на радіусі R_b забезпечується координатами Х_е і Y_е розташування осі обертання опорно-повідного диска 5 відносно осі О_ВZ_В обертання барабана, що здійснює подачу деталей.

,(14)

де ₁ і ₁ - кутові координати сферичної поверхні;

- поточний радіус сферичної поверхні залежно від кутового параметра .

Модульна 3D модель поверхні повідного круга описується рівнянням

, (15)

де параметри модулів: орієнтації , перетворення і транспортно-подавального - аналогічні приведеним в рівнянні (4).

3D модель шліфувального круга матиме той же вигляд, але в дзеркальному відображенні.

3D моделі інструментальних поверхонь повідного і шліфувального кругів, а також опорного ножа розраховуються за алгоритмом. На базі аналізу частинних 3D моделей розроблено способи безцентрового глибинного шліфування циліндричних та сферичних поверхонь, в яких підвищення продуктивності і точності забезпечено за рахунок стабілізації положення при русі центрів сфер і осі обертання заготовок циліндричних деталей. Розроблено алгоритми і програми комп'ютерного розрахунку раціональних форм повідного і шліфувального кругів залежно від геометричних параметрів оброблюваної деталі, заготовки і припуску, що знімається. Також розроблено спосіб двостороннього шліфування торців циліндричних деталей зі схрещеними осями, де вперше на торцях кругів виконують формоутворювальні ділянки, які при вході заготовок в зону шліфування не беруть участі в знятті припуску, що підвищило точність обробки і стійкість кругів.

Четвертий розділ присвячено особливостям шліфування торців циліндричних пружних стержнів на прикладі заточування голчастої гарнітури робочих валиків і барабанів текстильних машин, де доведено вплив напряму результуючої швидкості різання на якість обробки поверхні. Величина задирок на голках не перевищує 0,02 мм, коли при чорновому шліфуванні кут схрещування осей _р = 90, а при чистовому _р=0.

Для визначення допустимих відхилень кутів _Т і _Т схрещування осей ОZ барабана 2 і О_ИZ_И ролика 1, обтягнутого абразивною стрічкою, була розроблена методика, яка використовується у виробничих умовах підприємства “ЧЕКСІЛ-Аріадна”. Алгоритм розрахунку допустимих кутів схрещування, розроблений за допомогою модуля точності формоутворення .Дана методика дозволяє розраховувати допустимі зміщення Х і Y установки інструмента 1 при його монтажі на агрегаті. Знаючи ці зміщення, визначаємо максимальну похибку форми твірної (сідлоподібність, конусоподібність).

Для зняття задирок, одержаних при шліфуванні циліндричної голчастої поверхні периферією круга, розроблено новий спосіб фінішної обробки (пат. України № 10062), в якому круг закріплюється під кутом до осі обертання шпинделя, паралельного осі оброблюваної голчастої поверхні. За один оберт круга його бокові поверхні знімають задирки 8 на бокових поверхнях голок.

Однією з переваг є те, що він виключає геометричну похибку (сідлоподібність 5) твірної 2 барабана і валика 1, яка властива при шліфуванні периферією круга. Другою проблемою при заточуванні є виникнення задирок 8 на голках 6, напрям яких збігається з вектором результуючої швидкості різання . Заточування торцем круга дає можливість керувати напрямом цього вектора, а отже, і напрямом задирки. При чорновому шліфуванні вісь шліфувального круга переміщають у вертикальній площині на величину, що забезпечує напрям результуючої швидкості і задирки 8 паралельний осі барабана, де у точці В. При реверсі осьової подачі , також положенням осі 5 обертання шліфувального круга 4, у вертикальній площині, на верстаті з ЧПК забезпечується напрям результуючої швидкості і задирки 8 паралельний осі 7 барабана 1 в протилежну сторону, але за рахунок деформації голки у напрямі осьової подачі задирка залишається в середній частині її торцевої поверхні і не обриває шерстяні нитки при прочісуванні.

При чистовому шліфуванні керуванням напряму результуючої швидкості різання в точці В₁, кут добиваються необхідного вістря голки і допустимої величини задирки.

Для підвищення продуктивності шліфування запропоновано новий спосіб (заявка на винахід № 200509717), де формоутворення голчастої поверхні здійснюється двома кругами, що обертаються назустріч один одному. Перший з них у напрямі осьової подачі забезпечує напрям результуючої швидкості різання , приведений на рис. 11, а, а другий у протилежному напрямі.

Розроблено методику визначення максимально допустимих кутів схрещування осей деталі та інструмента при шліфуванні циліндричних голчастих поверхонь методом копіювання, а також нові способи заточування, які забезпечують необхідну якість.

У п'ятому розділі доведено доцільність шліфування методом копіювання торових і гвинтових поверхонь з керованим кутом схрещування осей, що дає змогу регулювати профіль формоутворювальної ділянки круга, метод вибору якого охоплений загальним підходом:

1. Інструментальна поверхня шліфувального круга 1 визначається не тільки геометричними параметрами деталі 2 з радіусом жолоба , але і заготовки , де - припуск, що знімається. При цьому радіус профілю інструментальної поверхні в осьовому перетині повинен бути менше радіуса профілю заготовки з урахуванням зміщення припуску в осьовій площині заготовки.

2. Зняття припуску здійснюється за рахунок узгоджених двох рухів - поперечного і синхронного з ним кутового, відносно прямої перпендикулярної до осей обертання деталі 2 і інструмента 1, при цьому кінцеве кутове положення повинно відповідати його положенню при визначенні інструментальної поверхні.

Це забезпечило величину врізання, рівну еквідистантно розташованому припуску з урахуванням його зміщення, глибину різання і умови шліфування постійними вздовж профілю, а зняття абразиву при правках зменшилося в 2 і більше разів залежно від геометричних параметрів деталі, що підвищило продуктивність і точність обробки і забезпечило раціональне використання абразиву.

Розроблено модульну 3D модель оброблюваної торової поверхні і систему зв'язків для її описання. При цьому запропонована 3D модель описує не тільки процес формоутворення, але й зняття припуску . Поточне значення параметра у в модулі формоутворення в процесі зняття припуску дорівнює

, (16)

де - відстань між осями круга 1 і деталі 2 при формоутворенні;

t_b - поперечне переміщення круга 1, обумовлене зсувами припуску ; - додаткова подача круга, яка компенсує знос (12) його профілю в процесі зняття припуску .

На відміну від торових поверхонь, де подача і поворот в процесі зняття припуску здійснюється безперервно, при шліфуванні гвинтових поверхонь поперечна подача і поворот здійснюються в кінці проходу.

, (17)

де , - максимально допустимі внутрішнім діаметром D гайки (рис. 12, в) кути схрещування осей в сторону нахилу гвинтової канавки та протилежну їй; - кут нахилу гвинтової канавки.

Збільшення кута повороту при синхронній з ним поперечній подачі круга 1 в радіальному напрямі забезпечує зняття більших припусків порівняно з поворотом, який збігається з напрямом гвинтової канавки.

На базі аналізу 3D моделей розроблено способи центрового і безцентрового шліфування зовнішніх та внутрішніх торових, а також гвинтових поверхонь, які забезпечують зняття припуску по еквідистантним кривим з постійною глибиною різання і раціональними умовами шліфування вздовж профілю.

У шостому розділі запропоновано нову концепцію поздовжнього шліфування на верстатах з ЧПК циліндричних і криволінійних поверхонь з керованим кутом схрещування осей інструменту і деталі, вибір якого по координаті обробки охоплено загальними принципами:

1. Вісь повороту абразивного круга 1, що перпендикулярна до осі його обертання О_ИZ_И, поєднується з нормаллю в опорній точці і оброблюваної поверхні шляхом повороту на кут . Круг 1 з формоутворювальним радіусом R_i переміщується вздовж нормалі в процесі врізання до необхідного розміру , контрольованого приладом активного контролю 4. При цьому шліфувальний круг повертається на кут відносно осі OY, який вибирається з умови проходження лінії контакту 3 через точку, яка лежить на торці інструмента. Це забезпечує участь в зніманні припуску всієї його периферії.

2. В процесі переміщення , шліфувального круга 1 вздовж твірної оброблюваної поверхні компенсація зносу круга здійснюється переміщенням його вздовж нормалі S_ni в опорній точці і, що зменшує вплив зносу круга на точність формоутворення. Це підвищує стійкість круга, працюючого в режимі самозаточування, і дає можливість спростити розробку керуючих програм, які тепер не залежать від величини припуску, що знімається, і змін діаметра круга внаслідок зносу. Розроблені модульні 3D моделі, які описують формоутворення циліндричних поверхонь, криволінійних поверхонь обертання і поверхонь подвійної кривизни турбінних лопаток. Візуалізація процесу шліфування криволінійної поверхні обертання одержана за допомогою 3D моделі, де 3 - лінія контакту круга 1 з деталлю 2 в процесі формоутворення.

Розроблено універсальний спосіб шліфування опуклих криволінійних поверхонь обертання методом копіювання на верстатах з ЧПК охоплювальним інструментом і 3D геометричні моделі формоутворення зі схрещеними осями кругів 1 і деталей 2.

Запропонована нова концепція поздовжнього шліфування циліндричних і криволінійних поверхонь на верстатах з ЧПК, яка підвищила стійкість круга та дала можливість спростити розробку керуючих програм.

Сьомий розділ присвячено експериментальному дослідженню нових способів шліфування торцевих, голчастих, неповних сферичних, торових і криволінійних поверхонь, а також їх впровадженню у виробництво.

Експериментальні дослідження нового способу шліфування (пат. України № 10636) поверхонь торців абразивними кругами 1, 5 здійснювались на стенді, виготовленому на базі верстата моделі 3342АДО. Для вимірювання припуску , що знімається, по координаті обробки з двох торців деталі діаметром d був розроблений прилад активного контролю деталі, яка обертається або нерухома. Вперше розроблений і виготовлений датчик, який фіксується на барабані, що подає деталі, сережкою 2, в основу роботи якого закладено зміну індуктивного опору котушки 3 при зменшенні розмірів і маси оброблюваної сталевої заготовки 6, яка знаходиться всередині корпуса 4 котушки індуктивності 3 і виконує роль сердечника. На підставі синхронних вимірювань об'ємів металу, що знімаються, і потужності різання визначені коефіцієнти питомої потужності шліфування по координаті обробки. Це дало можливість, використовуючи розроблені загальні моделі продуктивності (9) і потужності шліфування (10), визначати локальну, питому, миттєву і середню потужності шліфування.

Аналіз осцилограм припуску, що знімається, і потужності шліфування показує, що калібрувальна ділянка шліфувального круга не бере участі в зніманні припуску.

Дослідження круглограм похибки форми торців циліндричних деталей при шліфуванні новим способом показує, що неплощинність не перевищує 4мкм, а непаралельність - 5мкм, що узгоджується з теоретичними дослідженнями, приведеними в 3 розділі. Також були виконані дослідження зносу профілю круга за допомогою оптико-волоконного датчика відстані після обробки 80 деталей. Порівняння одержаних профілограм і розрахункових показує, що розбіжність не перевищує 5%. Новий спосіб заточування голчастої поверхні робочих валиків і барабанів текстильних машин торцями двох кругів (заявка на винахід №200509717) впроваджено на верстаті моделі СПТ, який підвищив продуктивність в 2 рази. Впровадження даного способу на підприємстві “ЧЕКСІЛ-Аріадна” м.Чернігів, забезпечило ефект 162тис.грн.

Спосіб фінішної обробки голчастої поверхні торцями брусків (заявка на винахід №200509718) використано при виготовленні верстата для заточування текстильних барабанів, який складається з трьох вузлів, з масою кожного до 35 кг, що спрощує його транспортування, установку і наладку у виробничих умовах на агрегаті для прочісування шерсті. До цих вузлів відносяться: напрямна, шліфувальна головка і пульт керування. Верстат в даний час виготовлено і планується його впровадження в 2006 році. Способи шліфування поверхонь обертання зі схрещеними осями інструмента і деталі (пат. України №10635, №10623) та методики розрахунку параметрів настройки верстата впроваджено на підприємствах: “Харківський верстатобудівний завод ХАРВЕРСТ”, “Новокраматорський машинобудівний завод”, Чернігівському НВО “МАГР” та Прилуцькому заводі “ПОЖСПЕЦМАШ” із загальнім економічним ефектом 35300 грн.