Повышение эффективности операций шлифования на основе прогнозирования периода стойкости инструмента по акустическому критерию в условиях многономенклатурного производства тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Жуков Александр Сергеевич

• Жуков Александр Сергеевич
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Жуков Александр Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Обзор подходов к проектированию операций шлифования

1.1.1 Проектирование операций шлифования с использованием справочных материалов

1.1.2 Проектирование операций шлифования с использованием результатов моделирования

1.1.3 Управление процессом шлифования с применением систем мониторинга

1.1.4 Выводы по разделу

1.2 Косвенные методы оценки состояния режущего инструмента

1.2.1 Акустические методы оценки состояния ШК

1.2.2 Акустико-вибрационный метод собственных колебаний

1.2.3 Выводы по разделу

1.3 Акустический сигнал, сопровождающий процесс шлифования

1.3.1 Механизм возникновения колебаний в ШК

1.3.2 Моды собственных колебаний ШК

1.3.3 Полезный акустический сигнал и информативная частота

1.3.4 Выводы по разделу

1.4 Аналитический подход к моделированию параметров звукового

давления, генерируемого процессом шлифования

1.4.1 Выводы по разделу

1.5 Выводы по первой главе

2 ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ, ГЕНЕРИРУЕМОГО КОЛЕБАНИЯМИ

ШЛИФОВАЛЬНОГО КРУГА В ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ

2.1 Обоснование и постановка задачи моделирования

2.2 Выбор и обоснование программного обеспечения

2.2.1 Формирование требований к программному продукту

2.2.2 Сравнительный анализ программных продуктов

2.2.3 Выводы по разделу

2.3 Разработка имитационной модели параметров звукового давления в программной среде COMSOL Multiphysics®

2.3.1 Допущения, принятые при моделировании

2.3.2 Модальный анализ собственных колебаний ШК

2.3.2.1 Определение интегральных показателей упругих

свойств ШК

2.3.2.2 Определение значимой моды и информативной частоты

2.3.3 Расчёт предварительно напряженного состояния ШК

2.3.4 Настройка модели звукового давления в COMSOL Multiphysics®

2.3.4.1 Размерность задачи

2.3.4.2 Выбор физических интерфейсов и типов исследования

2.3.4.3 Perfectly Matched Layers

2.3.4.4 Параметры модели

2.3.4.5 Настройка геометрии модели

2.3.4.6 Настройка свойств материалов модели

2.3.4.7 Граничные условия

2.3.4.8 Дискретизация модели

2.3.5 Определение характеристик возбуждающего воздействия

2.3.6 Расчёт параметров звукового давления

2.3.7 Выводы по разделу

2.4 Выводы по второй главе

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ АКУСТИЧЕСКОГО СИГНАЛА ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ

3.1 Постановка задачи исследования

3.2 Методика эксперимента

3.2.1 Описание и аппаратное обеспечение эксперимента

3.2.2 Акустический сигнал холостой работы шлифовального станка

3.2.3 Акустический сигнал, сопровождающий процесс шлифования

3.2.4 Эмпирическая модель амплитуды звукового давления

3.2.5 Выводы по разделу

3.3 Оценка адекватности модели параметров звукового давления

3.3.1 Валидация частотного состава модели параметров звукового давления

3.3.2 Валидация значений амплитуд на информативной частоте

модели параметров звукового давления

3.3.3 Выводы по разделу

3.4 Выводы по третьей главе

4 СОПРЯЖЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИК КАЧЕСТВА ШЛИФОВАНИЯ

4.1 Общая постановка задачи

4.2 Предиктивные модели параметров качества шлифования

4.2.1 Геометрическая модель формирования шлифованной поверхности

4.2.1.1 Расчет параметра Ra шероховатости по модели

Л.В. Шипулина

4.2.2 Модель силового взаимодействия шлифовального круга

и заготовки в процессе КНВШ

4.2.2.1 Расчет нецилиндричности по модели А.Х. Нуркенова

4.3 Разработка комплексной модели соответствия амплитуды звукового давления и параметров качества шлифования

4.4 Вывод по четвертой главе

5 МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОПЕРАЦИЙ ШЛИФОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПЕРИОДА СТОЙКОСТИ ИНСТРУМЕНТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АКУСТИЧЕСКОГО ПОКАЗАТЕЛЯ

5.1 Общая структура методики

5.1.1 Карты прогнозирования области бездефектной работы

шлифовального круга по акустическому показателю

5.2 Эмпирический способ разработки карт прогнозирования

области бездефектной работы шлифовального круга

5.3 Способы применения методики

5.3.1 Определение рационального режима обработки партий

заготовок шлифовальными кругами, выбранными по ОМН

5.3.2 Определение рационального режима обработки партий

заготовок шлифовальным кругом конкретной характеристики

5.3.3 Определение рациональной характеристики шлифовального

круга для обработки партий заготовок

5.3.4 Определение рационального порядка поступления заготовок

на станок

5.3.5 Выводы по разделу

5.4 Выводы по пятой главе

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Сравнение эмпирических и расчетных спектральных

составов собственных колебаний шлифовальных кругов

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Результаты моделирования параметров звукового давления, генерируемого шлифовальным кругом в процессе шлифования .... 186 ПРИЛОЖЕНИЕ В. Результаты экспериментального исследования

параметров акустического сигнала, сопровождающего процесс КНВШ

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Протоколы измерений шероховатости и

нецилиндричности шлифованных поверхностей исследуемых образцов

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Альбом карт прогнозирования области бездефектной

работы шлифовальных кругов

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Внедрение и апробация результатов работы

Список основных сокращений и условных обозначений

АЗ - абразивное зерно;

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика; АЭ - акустическая эмиссия; БД - база данных;

ГрОМ - группа обрабатываемости материала; ЗИ - звуковой индекс;

ИЧСК - измеритель частот собственных колебаний; КНВШ - круглое наружное врезное шлифование;

КПОБР ШК - карта прогнозирования области бездефектной работы шлифовального круга;

МКЭ - метод конечных элементов;

НАК - низкочастотные акустические колебания;

НК - неразрушающий контроль;

ОМ - обрабатываемый материал;

ОУ - объект управления;

ОМН - общемашиностроительные нормативы; ППП - пакет прикладных программ; ПО - программное обеспечение; РИ - режущий инструмент;

САПР - система автоматизированного проектирования; СОТС - смазывающе-охлаждающее техническое средство; СМ - система мониторинга;

ТПП - технологическая подготовка производства;

ТС - технологическая система;

ТУ - технологические условия;

ЧСК - частота собственных колебаний;

ШК - шлифовальный круг.

АрГ - наименьшее значение амплитуды звукового давления, выбранное при сравнении значений АрКрит и АрКрит, критерий периода стойкости шлифовального круга;

АрКрит - критическое значение амплитуды звукового давления по критерию шероховатости;

Аркрит - критическое значение амплитуды звукового давления по критерию нецилиндричности;

Ap - амплитуда звукового давления;

Apтек - текущее значение амплитуды звукового давления;

Сь - скорость распространения упругих колебаний;

Cвозд - скорость звука в воздушной среде;

cшк - скорость звука по объему шлифовального круга;

DxTxH - соответственно наружный диаметр, высота и посадочный диаметр шлифовального круга;

dз - средний диаметр основной фракции зерен; dзаг - диаметр заготовки;

E - модуль нормальной упругости (модуль Юнга);

F(v) - функция коэффициента Пуассона;

Fi (а, V) - коэффициент формы шлифовального круга;

^нф - информативная акустическая частота;

Fупр - сила упругости;

G - модуль сдвига материала ШК;

H_CS - высота пятна контакта;

{ - число деталей партии, обработанных за период стойкости; 1Т - требование к точности обработки (квалитет точности); k - волновое число;

к1, k2, kз - поправочные коэффициенты, учитывающие влияние зернистости твердости и структуры шлифовального круга при расчете звукового давления; I - базовая длина для оценки шероховатости шлифованной поверхности; Ь - длина дуги контакта для круглого наружного врезного шлифования;

/з - длина площадки затупления;

/рис - длина риски, оставленной на заготовке единичным зерном; 1ш - ширина шлифования; M - масса заготовки; m - число правок шлифовального круга; N - объем партии изделий;

п - число узловых диаметров колебаний шлифовального круга;

Пзаг - частота вращения заготовки;

пшк - частота вращения шлифовального круга;

p - звуковое давление;

PY и Pz - радиальная и касательная составляющие силы шлифования Р; Pреф - референтное значение звукового давления; R = D/2 - радиус шлифовального круга;

R2 - величина достоверности аппроксимации (коэффициент детерминации); Raкрит - критическое значение шероховатости, назначенное в конструкторской документации;

Rост - остаточный ресурс работоспособности шлифовального круга;

S - число узловых окружностей колебаний шлифовального круга;

tz - температура окружающей воздушной среды;

Tвсп - вспомогательное время;

tмг - мгновенная глубина врезания;

Топер - оперативное время;

Тосн - основное время;

Тп-з - подготовительно-заключительное время;

tрис - глубина риски, оставленной на заготовке единичным абразивным зерном;

Тст - период стойкости шлифовального круга; Тшт - штучное время; Ц - амплитуда изгибных колебаний ШК; Vsрад - скорость радиальной (врезной) подачи;

УБрад_рац - рациональное значение режима обработки - скорости радиальной подачи;

Узаг - скорость вращения заготовки;

Ушк - скорость вращения шлифовального круга (скорость резания); W_CS - ширина пятна контакта;

Wз - относительное объемное содержание зерен в круге; Ъ - акустический импеданс; ъ - величина припуска;

а - угол относительного смещения узловых диаметров кратных мод; в - уровень звука, дБ;

5к - упругие перемещения ШК вдоль оси вращения, обусловленные податливостью стыка «шлифовальный круг - прокладка»;

дкрит - критическое значение нецилиндричности, назначенное в конструкторской документации;

П - коэффициент линейной вязкости обрабатываемого материала; Хв - длина звуковой волны; Хи - длина изгибной волны ШК;

^ - коэффициент трения абразивного материала по обрабатываемому;

V - коэффициент Пуассона;

р - плотность воздушной среды;

ршк - плотность шлифовального круга;

X Твсп - суммарное вспомогательное время;

X Топер - суммарное оперативное время;

X Тосн - суммарное основное время;

Oi - интенсивность сопротивления обрабатываемого материала деформации;

Об - предел прочности обрабатываемого материала;

Оцб - центробежное напряжение;

т - время обработки;

фъ - относительная влажность воздуха.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности операций шлифования на основе прогнозирования периода стойкости инструмента по акустическому критерию в условиях многономенклатурного производства»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Среди множества видов механической обработки металлов шлифование занимает особое место. Для операций шлифования характерны высокие показатели экономичности, производительности, размерной и геометрической точности, шероховатости обработанной поверхности [131]. Шлифование является распространенным способом обработки твердых и труднообрабатываемых материалов [217, 248, 252, 253]. Шлифование часто применяется на заключительных этапах технологического процесса производства изделия, где формируются окончательные конструкторские требования, что повышает его значимость.

Важным элементом, от которого в наибольшей степени зависит эффективность операции, выступает шлифовальный круг (ШК). Постепенный и неизбежный износ абразивных зерен (АЗ) ШК приводит к ухудшению параметров качества обрабатываемой поверхности и создает необходимость в проведении операции правки. Интенсивность износа инструмента зависит от большого количества факторов, их учет вызывает значительные трудности, особенно в многономенклатурном производстве. В свою очередь, от интенсивности износа ШК зависит период времени, в течение которого инструмент способен обеспечивать требования качества обработки в установленных технологических условиях (ТУ) - период стойкости [40]. В связи с этим определение рационального момента правки и прогнозирование периода стойкости ШК становится актуальными задачами.

К решению этих задач подходили в основном с применением статистических методов, в результате которых разработаны справочные материалы [148-151 и др.] с рекомендациями по ожидаемому периоду стойкости инструмента. Такой подход требует статистических выборок значительных объемов и актуален только в условиях массового и крупносерийного производства. Более того, достижение максимальной эффективности производства ранее осуществлялось за счет подбора параметров характеристики ШК и режимов обработки. В существующих условиях машиностроительного производства это невозможно.

В настоящее время до 85 % современных машиностроительных предприятий соответствуют многономенклатурному типу производства [115]. Характерными особенностями этого типа производства является частая сменяемость номенклатуры изделий, соответствующая единичному и мелкосерийному производствам в совокупности со значительными временными затратами на технологическую подготовку производства (ТПП), характерными крупносерийному и массовому производствам [29, 80, 109, 169, 182, 202].

При этом обработку шлифованием не всегда реализуют с применением нормативных рекомендаций. Ограниченность номенклатуры инструмента, используемой на предприятиях многономенклатурного типа, приводит к необходимости применять имеющийся ШК для выполнения текущей производственной задачи в кратчайшие сроки и варьировать режимами обработки для обеспечения требований качества. Применение статистического анализа не обеспечивает достаточную точность при определении рационального момента правки ШК в условиях многономенклатурного производства, ввиду большого количества возможных сочетаний ТУ.

Таким образом, требуется разработать новый подход к проектированию и реализации операций шлифования с учетом текущей работоспособности ШК, позволяющий судить о техническом состоянии рабочей поверхности ШК и возможности эффективно выполнять требования чертежа детали.

Степень разработанности темы исследования. Перспективными методами контроля и оценки технического состояния ШК выступают косвенные методы. К их основным достоинствам относятся высокие информативность [22], чувствительность [221, 229], экономичность и возможность проведения процедуры сбора данных в режиме мониторинга (без прерывания производственного процесса). При интеграции системы мониторинга (СМ) в шлифовальное производство, объектом наблюдения могут выступать различные аспекты процесса, задействоваться всевозможные критерии оценки, применяться разнообразные программные и аппаратные средства.

Так, степень износа ШК оценивают по оптическим критериям с помощью лазерного датчика [247] и с помощью хроматического конфокального датчика [227], по

силе тока на двигателе шпинделя [244], с помощью сигнала акустической эмиссии (АЭ) [225, 251].

Высоким потенциалом к развитию обладают СМ, в которых используется комплексный анализ множества технологических критериев. Совместная обработка данных о вибрациях, мощности привода, температуре в зоне шлифования и акустических характеристиках позволяет создать цифровую модель износа инструмента с высокой прогностической способностью. Внедрение таких систем особенно актуально в условиях автоматизированного производства, где важнейшее значение приобретает возможность прогнозирования остаточного ресурса инструмента для оптимального планирования его замены. Набор косвенных параметров, используемых для комплексного мониторинга, может отличаться: [241] - сила шлифования, вибрационные параметры технологической системы (ТС), сигнал АЭ; [240] - параметры вибрации ТС и сигнал АЭ; [218] - параметры вибрации ТС, мощность шлифования, сигнал АЭ, температурный показатель зоны шлифования и др.

Проведенный литературный обзор показал значительное сокращение простоев оборудования, повышение точности обработки, снижение затрат на обслуживание оборудование в результате использования СМ [65, 175] и высокий интерес исследователей к их применению на операциях шлифования [232].

Большинство критериев, используемых в современных СМ, требует дополнительной дорогостоящей аппаратной и программной модернизации производственного оборудования. В данном контексте наибольший интерес представляют вибрационные и акустические характеристики процессов механической обработки, применение которых не сопряжено со значительными издержками.

Задействование мониторинга акустического сигнала имеет ряд существенных преимуществ, по сравнению с использованием других критериев. Оперативной оценке технического состояния системы способствуют содержащиеся в акустическом сигнале сведения о состоянии оборудования или инструмента, качестве обработки и зарождающихся дефектах [37, 152]. СМ, основанные на регистрации и анализе акустического сигнала, не требуют кардинальной перестройки оборудования, что говорит о простоте и экономичности их внедрения.

Более того, уже существует шлифовальное оборудование со встроенной акустической СМ. Так, на предприятии ООО «Челябинский тракторный завод - УРАЛ-ТРАК» в шлифовальном цехе при обработке коленчатых валов дизельных двигателей используется специализированный станок КАХО$-Ц№ОК EMAG PMD 320S немецкой компании EMAG, снабженный системой обнаружения контакта ШК с поверхностью заготовки с помощью встроенных акустических датчиков. Данная система используется для сокращения затрат вспомогательного времени за счет подвода инструмента в зону обработки на ускоренной подаче. В момент контакта ШК с поверхностью заготовки датчики, регистрирующие акустический сигнал процесса, мгновенно оповещают систему о необходимости переключения на рабочую подачу, активируя цикл обработки.

Таким образом, параметры акустического сигнала, сопровождающего процесс шлифования, представляют значительный интерес в качестве косвенного критерия оценки технического состояния ШК. Характеристики звука, возникающего в процессе шлифования, являются достаточно информативными, а внедрение СМ с их использованием позволят получить надежный источник данных, отражающий изменения ТУ, сопровождающие обработку (износ ШК). Ожидается, что это откроет возможность для повышения эффективности как операций шлифования, так и всего технологического процесса производства деталей.

Цель и задачи. Цель исследования состоит в повышении эффективности операций шлифования за счет прогнозирования периода стойкости инструмента по косвенному акустическому критерию в условиях многономенклатурного производства. Для достижения обозначенной цели предусматривается решение следующих задач:

1. Провести литературный обзор, в ходе которого сделать обоснованный выбор косвенного акустического метода определения текущего технического состояния ШК, установить критерий оценки текущей работоспособности ШК.

2. Разработать имитационную модель параметров акустического сигнала, генерируемого процессом шлифования в различных ТУ.

3. Провести валидацию результатов математического моделирования параметров акустического сигнала, генерируемого процессом шлифования.

4. Разработать модель, устанавливающую соответствие параметров акустического сигнала, генерируемого процессом шлифования, параметрам качества шлифованной поверхности заготовки с учетом ТУ реализации операции.

5. Разработать методику проектирования операций шлифования с использованием акустического показателя процесса обработки.

Научная новизна исследования состоит в следующих аспектах:

• разработана имитационная модель параметров звукового давления, генерируемого механическими колебаниями шлифовального круга в процессе обработки заготовки с учетом технологических условий выполнения операции (п.3 паспорта научной специальности 2.5.6);

• предложен и обоснован обобщенный критерий работоспособности шлифовального круга - амплитуда звукового давления, генерируемого процессом шлифования, на информативной частоте (п.5 паспорта научной специальности 2.5.6);

• разработана комплексная модель соответствия амплитуды звукового давления, шероховатости и нецилиндричности шлифованной поверхности заготовки с учетом ТУ выполнения операции (п.3 паспорта научной специальности 2.5.6);

• разработана методика проектирования операций шлифования на основе учета акустического показателя процесса (п.9 паспорта научной специальности 2.5.6).

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость исследования состоит в получении нового математического описания параметров звукового давления шлифования на основе компьютерного моделирования с учетом ТУ выполнения операции:

• рецептуры ШК (марки абразивного материала, зернистости, степени твердости, номера структуры, вида связки);

• геометрии ШК (наружного диаметра, диаметра посадочного отверстия, высоты);

• режимов обработки (скорости вращения и скорости подачи ШК);

• времени обработки.

Практическая значимость исследования основана на возможности интеграции разработанной методики проектирования операций шлифования в систему наукоемкого производства в качестве инструмента повышения его эффективности через повышение степени автоматизации. Наиболее значимый эффект применения данной методики ожидается в условиях многономенклатурного производства.

Методология и методы исследования.

Методологической основой диссертационной работы являются фундаментальные положения технологии машиностроения, теории упругости, теории колебаний, теории резания при абразивной обработке, математической статистики.

В ходе проведения исследований использовались следующие методы:

• теоретическое исследование - литературный обзор;

• компьютерное имитационное моделирование;

• натурный эксперимент;

• регрессионный анализ;

• методы анализа, расчета, обработки и сведе ния данных.

Личный вклад автора.

Все результаты диссертационного исследования, получены автором лично или при непосредственном его участии. По теме диссертационного исследования опубликовано 15 научных статей. В том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных исследований на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук [11, 12, 16, 17, 70], среди которых 2 статьи проиндексированы в базе Scopus [11, 70] и 3 - в базе Web of Science [11, 16, 70]. В сборниках трудов конференций (РИНЦ) опубликовано 10 статей [7-10, 13, 68, 71-74].

Положения, выносимые на защиту.

1. Модель параметров звукового давления, генерируемого процессом шлифования, в соответствии с принятыми для расчета ТУ реализации операции.

2. Комплексная модель, устанавливающая соответствие между акустическими параметрами и параметрами качества процесса шлифования.

3. Методика проектирования операций шлифования с учетом акустического показателя процесса шлифования.

Степень достоверности и апробация результатов.

Степень достоверности результатов моделирования параметров акустического сигнала шлифования определена путем сравнения с результатами экспериментального исследования, проведенного в аналогичных условиях.

Основные результаты работы были представлены в ходе участия в следующих научных конференциях:

• научная конференция профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников «Наука ЮУрГУ. Секции технических наук», г. Челябинск, Южно-Уральский государственный университет (2020-2025 гг. - очно);

• всероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России», г. Москва, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (2021 г., 2022 г. - заочно; 2024 г. - очно);

• международная научно-практическая конференция «Инновации в машиностроении», г. Новосибирск, Новосибирский государственный технический университет (2021 г., 2024 г. - очно);

• межрегиональная научная сессия молодых исследователей «Промышленная революция 4.0: взгляд молодёжи», г. Тула, Тульский государственный университет (2021 г. - заочно);

• международная научная конференция «Наука будущего», г. Орел, Орловский государственный университет им. И.С. Тургенева (2023 г. - очно).

Реализация результатов работы.

1. На предприятии АО Научно-производственное объединение «Уральский металл» внедрен и успешно используется метод определения рационального порядка поступления заготовок на станок с применением акустического показателя процесса шлифования.

2. На предприятии ПАО «Челябинский кузнечно-прессовый завод» апробирован и рекомендован к использованию метод определения рационального режима обработки с применением акустического показателя процесса шлифования.

3. На предприятии ООО «Завод специальной оснастки Альтернатива» апробирован и рекомендован к использованию метод определения рациональной характеристики шлифовального круга для обработки нескольких партий деталей на основе учета обобщенного акустического показателя процесса шлифования.

4. Результаты диссертационного исследования внедрены в учебную программу по направлению подготовки 15.04.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» (магистратура) ФГАОУ ВО ЮУрГУ (НИУ).

5. Диссертационное исследование поддержано грантом Российского Научного Фонда № 25-29-20029 (https://rscf.ru/proiect/25-29-20029/) на тему «Разработка научно-методической базы оценки работоспособности шлифовальных кругов по акустическому показателю процесса шлифования для условий многономенклатурного машиностроительного производства».

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Обзор подходов к проектированию операций шлифования

Эффективность технологической операции шлифования закладывается в ходе решения задачи ее проектирования, которая заключается в определении рациональных характеристики шлифовального круга (ШК) и режима обработки. В качестве исходных данных этой задачи, описывающих технологические условия (ТУ) и конструкторские требования, задаются [77, 112, 127, 131, 161, 175, 191, 194 и др.]:

• вид шлифования; • характеристики применяемого оборудования;

• тип и размеры ШК; • свойства обрабатываемого материала, твердость;

• форма и размеры заготовки; • требования к качеству обработки;

• объем припуска; • и др.

Качество выпускаемой продукции, экономичность и производительность обработки зависят от подхода, используемого при разработке операций и решений, принятых в соответствии с ним. Существует ряд подходов к проектированию операций. Каждый из них в определенной степени приспособлен для применения в отдельной области, связанной с типом производства, видом шлифования, предъявляемыми требованиями и др.

1.1.1 Проектирование операций шлифования с использованием справочных материалов

Использование справочной документации общемашиностроительных нормативов (ОМН) при разработке операций шлифования является наиболее распространенным и доступным подходом, способным обеспечить выпуск качественной и конкурентоспособной продукции [27, 96, 117, 141, 148-151, 167, 185 и др.]. Однако такой подход имеет ряд недостатков, которые могут значительно снизить эффективность операции, особенно в современных производственных реалиях.

Прежде всего, следует отметить, что ОМН разрабатываются на основе большого объема эмпирических данных, получаемых из производственного опыта. Посредством статистического анализа формируются рекомендации по выбору характеристики ШК и режимов обработки, для которых характерны высокая степень обобщения, низкая универсальность и наличие ряда допущений. Вследствие этого наибольшая эффективность применения ОМН проявляется в массовом и крупносерийном производстве. В других условиях эффективность применения ОМН может существенно снижаться, а в некоторых ситуациях - полностью отсутствовать.

ОМН не способны предложить рекомендации для всего множества возможных комбинаций ТУ, поскольку разрабатывались для конкретных технологических обстоятельств, называемых типовыми. Для учета нетиповых ТУ введена система поправочных коэффициентов. Как правило, конкретное значение поправочного коэффициента назначается для диапазона значений фактора, по которому вводится поправка.

В условиях многономенклатурного производства следование рекомендациям ОМН неизбежно приводят к значительному росту доли подготовительно -заключительного времени, что негативно сказывается на производительности процесса. Регулярная смена номенклатуры малых партий обрабатываемых заготовок влечет за собой необходимость частой смены ШК, а также требует обязательного проведения процедур балансировки и правки инструмента. Кроме того, при значительной номенклатуре партий обрабатываемых заготовок, помимо расходов на закупку всё новых позиций инструмента, требуется организация складских помещений для их хранения и периодического обслуживания.

Серьезным недостатком использования ОМН также является то, что выбор характеристики ШК и режима обработки осуществляется в отрыве друг от друга [15]. При этом назначенный режим не гарантирует максимальную производительность операции, реализуемой в результате проектирования. Кроме того, при использовании рекомендаций ОМН не учитывается текущее состояние ШК - его изменяющийся в процессе шлифования уровень работоспособности.

Перечисленные недостатки приводят к тому, что в условиях многономенклатурного производства при проектировании операций шлифования, рекомендации ОМН учитываются, но не всегда соблюдаются. Поскольку данные ОМН носят самый общий характер, решение об использовании указанных в них предписаний принимается инженером-технологом на этапе технологической подготовки производства (ТПП) и определяется целесообразностью и текущими производственными обстоятельствами (финансово-экономическая ситуация, договорные обязательства, возможности поставки инструмента, установленный срок производства деталей и др.).

В результате этого, для обработки большого количества часто сменяемых партий заготовок на практике используют ограниченную номенклатуру ШК. Инструментом конкретной характеристики обрабатываются разные партии деталей с некоторым вероятным снижением производительности.

Отсутствие возможности учета всех сочетаний ТУ реализации операции, а также текущего технического состояния ШК при назначении режима обработки на основе ОМН вызывает потребность использования другого подхода. Сегодня широкое распространение получило математическое моделирование [56] процессов шлифования, результаты которого позволяют назначать режимы обработки и проектировать циклы обработки с учетом изменяющихся по ходу протекания процесса параметров.

1.1.2 Проектирование операций шлифования с использованием

результатов моделирования

Функция моделирования, которая имеет главенствующее значение при проектировании операций шлифования - прогностическая. На этапе ТПП возникает необходимость оценки работоспособности выбираемого инструмента для назначаемых режимов обработки. Для этого определяется критерий работоспособности ШК (техническое состояние ШК, которое обеспечивает выполнение заданных требований при эксплуатации в установленных ТУ), и разрабатывается прогноз-

[99, 112, 131, 162];

• шероховатость обработанной поверхности [193, 203];

ная модель, позволяющая дать ей оценку. В качестве такого критерия используют один или комплекс параметров процесса шлифования: • составляющие силы шлифования • мощность шлифования [184];

скорость съема металла [111]; температуру в зоне шлифования [99]; и др.

На рисунке 1.1 в виде алгоритма приведена общая последовательность проектирования операций шлифования с применением математических моделей, позволяющая определить режим обработки, обеспечивающий требования качества в установленных ТУ выполнения операции.

^ КОНЕЦ ^

Рисунок 1.1 - Общий алгоритм проектирования операций шлифования с применением математических моделей

Определение значения установленного критерия (рис. 1.1, блок 4) сравнивается с принятым критическим значением этого параметра процесса (рис. 1.1, блок 5), после чего дается оценка уровню работоспособности ШК. В результате определяется насколько режим обработки, заданный при введении исходных данных (рис. 1.1, блок 2) для моделирования процесса (рис. 1.1, блок 3), способствует соблюдению требований. Затем выносится решение о соответствии расчетного режима желаемому уровню производительности (рис. 1.1, блок 7). При необходимости расчет может проводиться повторно (рис. 1.1, блок 6), для определения наиболее рационального режима (рис. 1.1, блок 8). Аналогичным образом может быть установлена рациональная характеристика ШК.

Основными типами моделей, используемыми в технических науках, выступают аналитические, эмпирические и имитационные. Аналитическое представление в чистом виде редко используется в машиностроении, поскольку предназначено для описания достаточно простых и идеализированных объектов и процессов, отличающихся от реальных [19]. Например, Ю.К. Новоселов при описании рабочей поверхности ШК как совокупности элементарных режущих кромок использует аналитический подход с применением статистического аппарата [145]. Зачастую же применяют аналитико-эмпирические модели, в основе которых лежат фундаментальные зависимости, снабженные дополнительными эмпирическими компонентами для учета конкретных условий задачи. Такие модели распространены значительно шире, однако каждая из них имеет достаточно узкую область применимости [4, 146, 160, 199, 250]. Альтернативой выступают имитационные модели, способные давать адекватное описание сложных систем. Для этого строится алгоритм, в котором описывается порядок развития процессов в исследуемом объекте. С использованием компьютерной вычислительной техники алгоритм многократно воспроизводится по разным сценариям и для разных комбинаций исходных данных, определяя при этом набор решений, из которых выбирается одно, отвечающее имеющимся требованиям [30, 97, 98, 207, 245].

Математические модели каждого из рассмотренных типов не обладают высокой самодостаточностью. Общим недостатком использования результатов мо-

делирования выступает высокая трудоемкость процедуры расчета. Также любая модель содержит в себе большое количество допущений и не учитывает множество второстепенных (по мнению разработчика) аспектов процесса, которые в совокупности способны повлиять на точность расчета и снизить надежность результатов. Настройка модели в соответствии с установленными ТУ и ее применение требует достаточной квалификации пользователя и значительных затрат времени, что ограничивает их применение на производстве. Работа с моделью и внедрение результатов моделирования не входит в круг компетенций инженера-технолога.

Эффективное и экономичное использование моделей при разработке операций шлифования может выполняться в составе систем автоматизированного проектирования (САПР). Реализуется САПР в рамках специального программного обеспечения (ПО), предназначенного для планирования и подготовки производства. Коммерческое программное обеспечение общего назначения обычно характеризуется развитым функционалом и эргономичным интерфейсом, что снижает нагрузку на пользователя и увеличивает востребованность подобных систем.

Однако использование результатов моделирования в составе САПР не лишено недостатков. Помимо затрат на приобретение и обслуживание ПО, обучение персонала его корректному применению и серьезных затрат на системное администрирование, решение сложных и (или) объемных задач требует значительных вычислительных ресурсов.

1.1.3 Управление процессом шлифования с применением систем

мониторинга

Одним из эффективных инструментов автоматизации и управления производством сегодня выступает мониторинг процессов механической обработки. Внедрение систем мониторинга (СМ) позволяет значительно сократить время простоев оборудования, повысить точность обработки и снизить затраты на обслуживание [65, 175]. Открываются новые возможности для прогнозного обслуживания и адаптивной оптимизации оборудования и инструмента. Развитие цифровых технологий (концепции интернета вещей, цифровых двойников и др.) дела-

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Жуков Александр Сергеевич, 2026 год

/ ч

-

о,5 1,0 1,5 2,0 2.5 з.о 3,5 4,0 Частота, кГц 5,0

Рисунок 3.3 - АЧХ акустического сигнала, сопровождающего процесс шлифования (ШК 25А Г46 Г; Уврад = 0,5 мм/мин; т = 5 мин)

Установлено качественное соответствие всех представленных АЧХ. Акустический сигнал в рассматриваемом диапазоне имеет высокоамплитудные и стабильные во времени компоненты в пределах частот: ~50 Гц; ~750 Гц; ~1650 Гц; ~2250 Гц; ~2900 Гц; ~3700 Гц.

При сравнении составов акустических спектров сигналов процесса шлифования и холостой работы станка было показано, что на всех графиках, включающих акустический сигнал, с которым происходит удаление припуска с заготовки, заполнен «пробел» в высоких частотах (16.20 кГц) присущий АЧХ холостой работы. Уровень звука на низких частотах (20 .100 Гц) значительно выше.

Три значительных эксцесса, имеющие место на частотах 50 Гц, 750 Гц и 2250 Гц для всех АЧХ рабочих циклов, в точности соответствуют акустическим компонентам работы ТС: на частоте 50 Гц проявляется работа энергоснабжения станка; частоте 750 Гц с наиболее высокими значениями амплитуды уровня звука соответствует акустический сигнал вращения шпинделя шлифовальной бабки с установленным на ней ШК; работа гидростанции сопровождает холостой и рабочий режимы работы станка, и ей характерна частота 2250 Гц. Поскольку в разделе 3.2.2 показано, что наиболее значимый акустический вклад в холостую работу шлифовального станка 3М151 вносят работа системы энергоснабжения, вращение шпинделя и работа гидростанции, составляющие акустического сигнала в пределах этих частот не следует рассматривать как информативные.

Прочие составляющие частотного спектра, проявленные на АЧХ процесса КНВШ, могут быть сопоставлены с частотами собственных колебаний ШК, полученных путем имитационного моделирования. На рисунке 3.4 приведена обобщенная схема распределения частот акустического сигнала, сопровождающего КНВШ, вне зависимости от режима и продолжительности обработки. На схеме отражены частоты, соответствующие работе систем станка, и частоты, характерные шлифованию - компоненты, проявляющие себя при взаимодействии ШК с заготовкой. Одну из данных частот целесообразно использовать в качестве информативной. В диапазоне до 5 кГц проявлены частотные составляющие, которые

могут быть идентифицированы как основные моды собственных колебаний ШК, рассчитанные в разделе 2.3.2.2:

£1 (п = 0; Б = 0) ~ 1650 Гц; 12/ 12' (п = 1; Б = 0) ~ 1750 Гц; 13/13' (п = 2; Б = 0) ~ 1900 Гц; 14/14' (п = 3; Б = 0) ~ 2300 Гц;

15/15' (п = 4; Б = 0) ~ 2950 Гц; 16 (п = 0; Б = 0) ~ 3650 Гц; 17/17' (п = 5; Б = 0) ~ 4100 Гц; 18/18' (п = 1; Б = 0) ~ 4500 Гц.

Амплитуды каждой из перечисленных мод косвенно характеризуют вынужденные колебания ШК, возникающие в процессе обработки и зависящие от ТУ выполнения операции.

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Частота, кГц 5

Рисунок 3.4 - Идентификация частотных компонентов акустического сигнала, сопровождающего процесс КНВШ

Следует отдельно отметить моды £4/£4'. На частоте, свойственной этим модам, проявляет себя работа гидравлической системы станка. Поскольку акустический сигнал холостой работы гидростанции достаточно мощный и проявляет себя с высокими значениями амплитуд, не представляется возможным надежно определить величину вклада колебаний ШК на указанной частоте.

Величины амплитуд, соответствующих моде И, значительно и стабильно превосходит остальные, имеют зависимость от применяемых режимов и времени обработки. Частота моды И не меняется в зависимости от режимов и времени обработки, может быть использована в качестве информативной.

3.2.4 Эмпирическая модель амплитуды звукового давления

Дальнейшее экспериментальное исследование акустического сигнала, генерируемого колебаниями ШК в процессе резания, было ограничено установленным

значением информативной частоты. В пределах частоты 1695 Гц рассматривалось изменение амплитуды звукового давления при шлифовании. Применялся ШК 25А Б46 Ь на режимах обработки 0,2; 0,3; 0,5; 0,8 мм/мин.

Показания акустического сигнала фиксировались с периодичностью 15 секунд. Собранные данные представлены графически на рисунке 3.5.

в)

г)

Рисунок 3.5 - График эмпирических зависимостей Ар от т, полученных при шлифовании с применением ШК 25 А Г46 Ь на подаче: а - 0,2 мм/мин; б - 0,3 мм/мин; в - 0,5 мм/мин; г - 0,8 мм/мин

Графики (рис. 3.5) отражают качественную зависимость амплитуды звукового давления на информативной частоте 1695 Гц от применяемого режима и времени обработки. Для преобразования качественных зависимостей к математической форме проведен корреляционно-регрессионный анализ данных эксперимента. В результате установлена эмпирическая зависимость между варьируемыми факторами (Vsрад, т) и исследуемым параметром эксперимента (Ap) [16, 67]:

Ар = 130,2 + 13,91^рад + 2,95 т. (3.1)

Полученная регрессионная зависимость может применяться только для условий, в соответствии с которыми была разработана. В частности, модель описывает амплитуду звукового давления, создаваемого колебаниями ШК определенных геометрических размеров и конкретной характеристики: ШК 25 А Г46 Г.

Расширение области применимости потребует проведения значительного объема дополнительных экспериментальных исследований.

3.2.5 Выводы по разделу 3.2

1. Проведённое экспериментальное исследование подтвердило возможность использования акустического сигнала для анализа процесса шлифования. Установлено, что сигнал содержит «шумовые» компоненты, связанные с работой систем станка, и информативные частоты, отражающие взаимодействие ШК с заготовкой.

2. Решены две ключевые задачи: идентификация источников акустических компонентов и определение акустического сигнала непосредственно процесса шлифования для последующего сравнения с результатами моделирования. Это позволило выделить информативные частоты, характеризующие текущую работоспособность ШК.

3. Анализ холостой работы станка позволил выявить основные источники фонового шума: систему энергоснабжения (50 Гц), гидравлическую систему (200... 600 Гц и 2300. 2500 Гц) и вращение шпинделя совместно с установленным на нем ШК (750 Гц). Установлен вклад основных систем работы шлифовального станка в совокупный акустический сигнал при холостой работе. Показано, что наиболее значительный вклад вносит работа шлифовальной бабки с установленным на ней ШК. При акустическом анализе процесса шлифования необходимо исключать из расчета данную частотную компоненту.

4. В ходе обработки заготовки выделена информативная частота, соответствующая моде 11 собственных колебаний ШК, являющаяся наиболее стабильной и значимой для анализа акустического сигнала процесса шлифования.

5. Разработана эмпирическая зависимость амплитуды звукового давления на информативной частоте от времени обработки кругом характеристики 25А Б46 Ь с учетом режима обработки.

3.3 Оценка адекватности модели параметров звукового давления

Ввиду сложности реального процесса генерации акустического сигнала при шлифовании, разработанная компьютерная имитационная модель в обязательном порядке подвергается проверке на соответствие результатов моделирования данным моделируемого объекта - валидации модели [171]. Валидация проводится в два этапа. На первом этапе проверяются частотные составляющие смоделированного акустического сигнала. На втором этапе устанавливается степень соответствия расчетных значений амплитуды звукового давления в пределах информативной частоты амплитудам, полученным в ходе проведения натурного эксперимента.

3.3.1 Валидация частотного состава

модели параметров звукового давления

Корректный расчет частотного состава акустических колебаний, генерируемых процессом шлифования, является критически важным аспектом работоспособности и прогностической функции разработанной модели (раздел 2.3.6). Значимость частотных компонентов акустического сигнала учитывается при измерениях и анализе, выполняемых в ходе акустического мониторинга. В данном разделе проводится процедура сопоставления данных модели с результатами экспериментального исследования, представленных в Приложении В (табл. В.1-В.4), и определения степени их соответствия.

На рисунке 3.6 представлено сравнение смоделированной и фактической АЧХ акустического сигнала, генерируемого колебаниями ШК 25А Б46 Ь в процессе шлифования заготовки из стали 45 (42.45 HRC) с подачей Vsрад = 0,5 мм/мин в момент времени т = 5 мин от начала обработки.

Установлено качественное соответствие результатов моделирования данным эксперимента. Частотный состав, полученный при моделировании, аналогичен спектру акустического сигнала, зарегистрированного в ходе эксперимента. Частотные компоненты, соответствующие холостой работе станка, отсутствуют

на расчетной АЧХ, поскольку при разработке модели не ставилась задача описания акустического сигнала, сопровождающего работу агрегатов оборудования.

200 180 160 140 120 100 80 60 40

работа системы энергоснабжения вращение ■ шлифовальной бабки Я £2 / О1 работа гидравлической системы — эксперимент = модель

О/£2'

£3/£3' £5/£5 * £6 гП/ Г7'

О /Й' £6 г п/гг

V сз ^ 1\I -14/14' т /

С\д 1 /

1

а.

<

■ч__Г, Гц

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

Рисунок 3.6 - Сравнение экспериментальной и расчетной АЧХ (ШК 25 А Б46 Ь; ОМ - сталь 45 (42.45 ИЯС); Vsрад = 0,5 мм/мин; т = 5 мин)

В таблицу 3.1 сведены результаты сравнения значений экспериментальных и смоделированных частот. Значения частот акустических колебаний, проявляющихся при проведении натурного эксперимента, в среднем, отклоняются от значений смоделированных частот на 3 %. Величины полученных отклонений являются удовлетворительными и свидетельствуют о достаточной надежности расчета частотного состава, выполняемого с помощью разработанной модели параметров звукового давления.

Таблица 3.1

Сравнение акустических частотных составов, полученных при моделировании и экспериментально

Мода Значение частоты, Гц Отклонение, %

Модель Эксперимент

11 1695 1670 1,18

12 / 12' 1715 1750 -2,04

13 / 13' 1910 1980 -3,7

£4 / 14' 2350 2330 0,85

15 / 15' 3050 3170 -3,9

16 4160 4000 3,85

17 / 17' 4450 4250 4,5

Отдельно следует отметить малозначительное отклонение частот, соответствующих моде £1, составляющее 1,18 %. Это позволяет использовать данную частоту в качестве информативной при проведении акустического мониторинга

процесса шлифования для определения текущей работоспособности ШК и прогнозирования периода стойкости инструмента по акустическому показателю.

Таким образом, с помощью проведения экспериментального исследования и сопоставления его результатов с расчетными данными подтверждается корректность определения частот с применением имитационной модели.

3.3.2 Валидация значений амплитуд на информативной частоте

модели параметров звукового давления

Работоспособность модели и ее пригодность для целей исследования зависит от того, насколько точно с ее помощью могут быть определены значения амплитуды звукового давления в конкретных ТУ. Чтобы установить степень соответствия имитационной модели ее прототипу (процессу шлифования), проведено сопоставление рассчитанных по модели и полученных экспериментально значений амплитуды звукового давления. На рисунке 3.7 приведены результаты этого сопоставления.

Расчетные данные удовлетворительно согласуются с экспериментальными, модель качественно верно описывает тенденцию эксперимента. Обе группы наблюдаемых данных имеют тенденцию к возрастанию в пределах рассматриваемого отрезка времени со схожими интенсивностями. Наибольшие отклонения значений модели наблюдаются на начальном этапе обработки (по классификации Г.Б. Лурье [128]). Это может быть связано со стохастическими явлениями абразивной обработки и сложностью корректного расчета силы шлифования.

Для количественной оценки точности модели были определены средние относительные отклонения расчетных данных в каждой точке. Величина отклонений нигде не превышает 10 % и в среднем составляет 7,5 %.

Таким образом, имитационная модель демонстрирует свою состоятельность для описания акустического сигнала, генерируемого колебаниями ШК в процессе обработки. Расчет, выполняемый с ее помощью, позволяет с удовлетворительной точностью определять величину амплитуды звукового давления на информативной частоте. Это свидетельствует о структурной и вычислительной корректности

разработанной модели, верном определении исходных данных для расчета, в том числе показателей упругих свойств ШК - V, E (раздел 2.3.2.1).

0 1 2 3 4 5

Рисунок 3.7 - Сравнение изменения экспериментальной и расчетной амплитуд на информативной частоте (1695 Гц) от времени шлифования (ШК 25A F46 L; ОМ - сталь 45 (42.45 HRC); Vsрад = 0,5 мм/мин; т = 5 мин)

Разработанная модель может быть использована для практических расчетов величины амплитуды звукового давления, генерируемого колебаниями ШК в процессе обработки.

3.3.3 Выводы по разделу 3.3

Проведена валидация модели параметров звукового давления, в результате которой установлено:

• отклонения расчетного частотного состава акустических колебаний от экспериментального аналога в среднем составляют 3 %;

• отклонения амплитуд звукового давления на информативной частоте (1695 Гц) в среднем составляет 7,5 %.

Разработанная модель параметров звукового давления, генерируемого колебаниями ШК при шлифовании, в достаточной степени соответствует моделируемому процессу и может быть использована для расчета амплитуды звукового давления на установленной информативной частоте.

3.4 Выводы по третьей главе

1. Проведенное экспериментальное исследование позволило решить центральную задачу работы - выполнить валидацию разработанной компьютерной имитационной модели параметров акустического сигнала процесса шлифования.

2. Разработана и реализована методика экспериментального исследования, позволившая:

• выделить частотные составляющие акустического сигнала, связанные с процессом шлифования и работой систем оборудования;

• установить наиболее стабильную и значимую частотную компоненту для мониторинга процесса шлифования с применением ШК 25А F46 L: ~1695 Гц;

• получить эмпирическую зависимость амплитуды звукового давления на информативной частоте от времени обработки и скорости подачи для ШК характеристики 25А F46 L.

3. Проведена двухэтапная валидация имитационной модели. Установлено, что разработанная модель соответствует своему прототипу как по структурным (частотным), так и по динамическим (амплитудным) характеристикам. Отклонения частот в среднем составляют 3 %, амплитуд на частоте 1695 Гц - 7,5 %.

4. Установлено, что разработанная модель может применяться для прогнозирования характеристик акустического сигнала процесса шлифования.

4 СОПРЯЖЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИК КАЧЕСТВА ШЛИФОВАНИЯ

Решается задача по установлению соответствия между параметрами качества шлифования и амплитудой звукового давления на информативной частоте. Для этого результаты имитационного моделирования, полученные во второй главе, необходимо согласовать с результатами существующих моделей, описывающих параметры качества обработки для определенных технологических условий выполнения операции. Комплексная модель, полученная в результате такого согласования, позволит определять значения параметров качества обработки по величине амплитуды звукового давления, создаваемого ШК в процессе обработки.

4.1 Общая постановка задачи

Обоснованность разработки комплексной модели заключается в возможности использования вместо прямых параметров качества, определение фактических текущих значений которых сопряжено с необходимостью остановки процесса обработки, косвенного акустического показателя, связанного с параметрами качества. Основным требованием к разработке комплексной модели выступает принципиальная возможность приведения к соответствию величины амплитуды звукового давления на информативной частоте параметрам качества обработанной поверхности заготовки. Чтобы обозначенное требование было удовлетворено, необходимо выразить параметры качества процесса и акустические параметры через одни и те же аргументы. Поскольку наиболее значимым в рамках данного исследования выступает режимно-временной фактор процесса - через него выражаются параметры звукового давления при моделировании, то и параметры качества обработки необходимо определять с учетом режима и времени обработки.

Частота и амплитуда звукового давления определяются следующими технологическими факторами:

• режимы резания ^рад; пшк; Пзвр);

• параметры ШК (геометрические размеры DxTxH; рецептурная характеристика, выраженная через интегральные упругие характеристики V, E, р; степень износа, связанная с длиной площадки затупления АЗ 1з и влияющая на силу шлифования Р);

• параметры ОМ (коэффициент трения абразивных зерен по обрабатываемому материалу интенсивность напряжений, характеризующих сопротивление обрабатываемого материала пластической деформации о^;

• параметры окружающей среды (акустический импеданс воздуха Z).

В общем виде зависимость АЧХ звукового давления от ТУ выполнения операции может быть представлена в виде системы:

Для обеспечения возможности динамического мониторинга параметров качества обработки необходимо, чтобы функция напрямую зависела от времени или содержала аргумент, связанный со временем шлифования. При создании имитационной модели параметров звукового давления через настройку величины возбуждающей силы - силы шлифования, учитывался фактор величины площадки затупления АЗ, зависящий, в свою очередь, от времени обработки.

Таким образом, математические модели параметров качества должны включать:

• аргументы, описывающие ТУ реализации операции для установления соответствия между этими моделями и моделью параметров звукового давления;

• аргумент для возможности проведения дискретного расчета изменения величины параметра в каждый момент времени обработки.

4.2 Предиктивные модели параметров качества шлифования

Г Ар = ^рад

;нф = щ т, н, V, е, р).

(4.1)

Топографические параметры поверхностей деталей определяют их эксплуатационные показатели. К ним относятся отклонения формы, волнистость и шероховатость. Из них стандартизированные шероховатость и нецилиндричность (от-

клонение от цилиндричности) выступают основными и наиболее часто предъявляются к поверхностям, получаемым при круглом наружном шлифовании.

Основным назначением моделей, описывающих параметры качества обработки, является возможность прогнозирования параметров качества в определенных ТУ. В разделах 4.2.1 и 4.2.2 рассматриваются предиктивные модели топографических параметров качества шлифования - шероховатости и нецилиндрично-сти.

4.2.1 Геометрическая модель

формирования шлифованной поверхности

Л.В. Шипулиным разработана комплексная имитационная стохастическая геометрическая модель [203], позволяющая оценивать шероховатость шлифованной поверхности с учетом зернистости и величины износа АЗ (рис. 4.1 ). Модель основана на дискретном вероятностном подходе, имитирующем взаимодействие АЗ ШК с поверхностью заготовки. Каждое зерно рассматривается как эллиптический параболоид, который врезается в материал, оставляя риску (микроцарапину). Наложение множества таких рисок формирует итоговый микрорельеф поверхности.

При моделировании формирования поверхности учитываются следующие факторы: наружный диаметр ШК (О), зернистость, скорость вращения ШК и заготовки; глубина резания, упругие деформации, тепловые эффекты. Кроме этого, учитывается стохастичность процесса: случайное распределение АЗ, их износ и вариация размеров.

Комплексная имитационная стохастическая геометрическая модель формирования шлифованной поверхности включает \ следующие частные модели (рис. 4.2): Рисунок 4.1 -

• Модель абразивного зерна. Зерно аппроксимируется эл- Моделирование

износа АЗ

липтическим параболоидом вращения; учитываются размер зерна, его расположение на поверхности круга, величина износа.

• Модель шлифовального круга. Расположение АЗ на поверхностном слое ШК в соответствии со случайным распределением по размеру и координатам; используются законы нормального распределения размеров зерен и равномерного распределения их положения.

• Модель механического взаимодействия. Рассчитывается траектория движения каждого зерна; формируется риска (микроцарапина) от каждого зерна на поверхности заготовки; учитывается продольное наложение рисок в зависимости от режимов обработки.

• Алгоритм формирования микрорельефа. Поверхность заготовки представлена в виде матрицы высот; моделируется последовательное «вычитание» материала в ходе каждого акта микрорезания по принципу минимума высот.

г

Рисунок 4.2 - Структура комплексной имитационной стохастической геометрической модели формирования шлифованной поверхности

Модель Л.В. Шипулина является комплексным инструментом для имитации шлифования, сочетающим геометрическую точность с учетом динамических и стохастических факторов. Использование в модели длины площадки затупления, которая является функцией от времени шлифования /э(х), позволяет прогнозиро-

вать шероховатость обработанной поверхности в любой момент времени [15]. При моделировании учитывается влияние режимов резания (скорости вращения ШК, скорости подачи) и характеристики ШК (зернистость, твердость).

4.2.1.1 Расчет параметра Яа шероховатости по модели Л.В. Шипулина

Для процесса шлифования с применением ШК 25А F46 Ь проведен расчет параметра Яа шероховатости обработанной поверхности заготовки из стали 45 твердостью 42.45 ИЯС на режимах обработки Vsрад = 0,2.0,5 мм/мин в моменты времени т = 0,5 .5 мин. Результаты расчета приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Соответствие значений шероховатости шлифованной поверхности (Яа, мкм) времени (т, мин) и режиму обработки ^Брад, мм/мин) (по модели Л.В. Шипулина [203]) (ШК 25А Б46 Ь; ОМ - сталь 45 (42.45 ИЯС))

т, мин Скорость врезной подачи Vsрад, мм/мин

0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,5

Шероховатость шлифованной поверхности Яа, мкм

0,5 0,40 0,56 0,64 0,72 0,84 0,92

1 0,49 0,67 0,72 0,83 0,95 1,03

1,5 0,58 0,765 0,84 0,91 1,06 1,12

2 0,67 0,86 0,92 1,03 1,14 1,23

2,5 0,76 0,96 1,02 1,12 1,25 1,32

3 0,85 1,05 1,13 1,23 1,34 1,43

3,5 0,94 1,15 1,22 1,32 1,45 1,52

4 1,03 1,25 1,33 1,43 1,54 1,63

4,4 1,12 1,35 1,42 1,52 1,65 1,72

5 1,21 1,44 1,51 1,63 1,74 1,83

Полученные данные (табл. 4.1) используются в разделе 4.3 при установле-

нии соответствия результатов моделирования акустических параметров с параметрами качества шлифования.

4.2.2 Модель силового взаимодействия шлифовального круга и заготовки в процессе КНВШ

Модель, разработанная А.Х. Нуркеновым [147], описывает процесс взаимодействия ШК и заготовки с учетом динамических параметров, таких как упругие

деформации («отжатие» заготовки под действием силы резания) и вибрации ТС. Модель предназначена для проектирования и отладки циклов КНВШ с учётом динамических процессов, возникающих при взаимодействии инструмента и заготовки. В ее основе лежит уравнение движения И. Ньютона, адаптированное под условия кинематических и динамических особенностей процесса и описывающее движение заготовки:

X(nзаг ■ dт) = P(dт) ■ X((nзаг - 1) ■ dт) + Po(dт) ■ PY (4.2)

где nзаг - частота вращения заготовки; dт - дискретный шаг расчета по времени; X(nзаг ■ dт) - координата центра заготовки в текущий момент времени; X((nзаг - 1) ■ dт) - координата центра заготовки в предшествующий расчетному момент времени; P(dт) и Po(dт) - нормированные матрицы решений адаптированного уравнения движения Ньютона, причем Po(dт) - единичная матрица; PY - радиальная составляющая силы шлифования.

При расчете учитываются следующие параметры процесса шлифования:

• текущий радиус заготовки (г);

• текущая координата ШК (х^;

• начальные и текущие координаты оси вращения заготовки (Ь, с);

• величина исходного эксцентриситета заготовки, сформированная на предыдущей технологической операции (е);

• масса заготовки (М);

• скорость резания (ушк)

• частота вращения заготовки (пзаг)

• скорость радиальной подачи (УБрад)

• коэффициент линейной вязкости ОМ п;

• предел прочности ОМ Ов;

• фактическая жесткость ТС (1ф);

• радиальная составляющая силы шлифования (PY);

• время шлифования (т).

• и др.

Данная модель позволяет по заранее определенному значению фактической жесткости ТС рассчитывать радиус (и диаметр) заготовки в любой момент времени благодаря пошаговому расчету для каждого оборота. Это достигается за счет дискретизации процесса и использования уравнений движения, которые обновляют параметры на каждом шаге.

На основе данных экспериментального исследования нецилиндричности шлифуемой поверхности (Приложение Г, рис. Г.13-Г.16) выдвинуто предположение о переменной жесткости заготовки вдоль оси ее вращения. Вследствие этого, а также осевого воздействия на заготовку в результате изгибных колебаний ШК, при обработке формируется поверхность конической формы (рис. 4.3).

Рисунок 4.3 -Отклонение от цилиндричности моделируемой поверхности заготовки

Применив модель А.Х. Нуркенова для расчета текущих радиусов заготовки в двух поперечных сечениях (гшах и Гшт) определены величины отклонения от цилиндричности А, учитывающие фактические жесткости в каждом сечении (1ф1 и 1ф2), ТУ выполнения операции (Vsрад, свойства ОМ, характеристика ШК) и время обработки т.

4.2.2.1 Расчет нецилиндричности по модели А.Х. Нуркенова

Расчет нецилиндричности А по модели А.Х. Нуркенова выполнен для ТУ, аналогичных условиям, в которых выполнялись расчеты величин амплитуд звукового давления, генерируемого колебаниями ШК при обработке (раздел 2.3.6), и шероховатостей шлифуемой поверхности заготовки (раздел 4.2.2.1). Расчет параметра А выполнен в соответствии с текущими значениями наибольшего и

наименьшего радиусов заготовки - Гшах и Гшт, формирующихся в процессе шлифования. Исходный диаметр заготовки, полученный на предшествующей технологической операции, 70-0,74 мм.

Результаты расчета приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2

Соответствие значений нецилиндричности шлифованной поверхности (А, мм) времени (т, мин) и режиму обработки (УБрад, мм/мин) (по модели А.Х. Нуркенова [147]) (ШК 25А F46 Ь; ОМ - сталь 45 (42.45 НЯС))

Скорость радиальной подачи Vsрад, мм/мин Время шлифования т, мин

1 2 3 4 5

Наибольшее текущее значение радиуса заготовки Гшах, мм

Наименьшее текущее значение радиуса заготовки Гшт, мм

Нецилиндричность поверхности заготовки А, мм

0,2 34,176 33,844 33,985 33,679 33,382

34,171 33,836 33,976 33,669 33,371

0,0051 0,0077 0,0091 0,0103 0,0111

0,3 33,973 33,577 33,68 33,383 33,067

33,965 33,563 33,663 33,365 33,048

0,0085 0,0135 0,0163 0,0182 0,0197

0,4 33,776 33,882 33,485 33,188 33,39

33,764 33,863 33,462 33,162 33,361

0,0123 0,0191 0,0235 0,0264 0,0294

0,5 33,879 33,483 33,089 33,192 33,795

33,864 33,457 33,058 33,158 33,757

0,0155 0,0254 0,0311 0,0345 0,0378

0,6 33,583 33,187 33,292 32,895 33,5

33,565 33,157 33,255 32,853 33,454

0,0184 0,0297 0,0368 0,042 0,0461

0,7 33,387 33,39 32,895 32,998 32,508

33,364 33,355 32,852 32,95 32,455

0,0232 0,0352 0,0427 0,0482 0,0533

0,8 33,49 32,999 32,508 32,513 33,022

33,461 32,957 32,457 32,456 32,96

0,0295 0,042 0,051 0,0575 0,0621

Полученные данные (табл. 4.2) используются в разделе 4.3 при установле-

нии соответствия результатов моделирования акустических параметров с параметрами качества шлифования.

4.3 Разработка комплексной модели соответствия амплитуды звукового давления и параметров качества шлифования

На рисунке 4.4 представлена общая структура комплексной модели, устанавливающей соответствие между амплитудой звукового давления процесса и топографическими параметрами шлифованной поверхности (шероховатостью и не-цилиндричностью). При моделировании учитывались основные ТУ выполнения операции: характеристика ШК, свойства материала заготовки, геометрические размеры инструмента и заготовки, режимы и время шлифования.

А.Х. Нуркенов, 2016 г.

Рисунок 4.4 - Структура комплексной модели соответствия топографических

параметров шлифованной поверхности акустическому показателю процесса

Для установления возможности организации сопряжения трех моделей необходимо рассмотреть параметры, требуемые для проведения вычислений по каждой из моделей.

Параметры модели акустического сигнала шлифования (рис. 2.2). Расчет частот акустического сигнала, генерируемого процессом шлифования, предполагает использование геометрических параметров ф, Т, Н) ШК и показателей его упругих свойств (Е, V, р), с помощью которых выражается характеристика инструмента. Для расчета амплитуды звукового давления применяются режимные параметры процесса шлифования (Vsрад, Пзаг, пшк); параметры ОМ (о^ ц); параметры, описывающие возбуждающее воздействие (PY, Pz); размеры пятна контакта ШК с заготовкой (Н_СЗ, W_CS); параметр воздушной среды, в которой распространяется акустический сигнал время шлифования (т).

Параметры модели шероховатости шлифованной поверхности. Геометрическое моделирование шероховатости шлифованной поверхности предполагает использование в качестве аргументов режимные параметры (УБрад, пшк, Пзаг); геометрические параметры (Б - наружный диаметр ШК, /ш - ширина шлифования, /рис - длина и 1рис - глубина микроцарапины, оставленной на заготовке единичным АЗ, dз - средний диаметр основной фракции АЗ); а также относительное объемное содержание АЗ в ШК ^з).

Текущая степень износа АЗ, выраженная через связь параметров /з и 1рис, соотносится с этапом обработки, т.е. с временем обработки (т) от начала шлифования после процесса правки.

Параметры модели силового взаимодействия ШК и заготовки в процессе шлифования для расчета нецилиндричности шлифованной поверхности. Расчет текущего радиуса заготовки при КНВШ по модели А.Х. Нуркенова требует использования геометрических параметров (п, Ь, с, е, х^; режимных параметров (Vsрад, Ушк, Пзаг); параметров материала заготовки (ов, п), а также массы заготовки (М), фактической жесткости ТС ^ф), радиальной составляющей силы шлифования (PY), и времени обработки (т).

При определении текущего радиуса шлифуемой заготовки задается дискретный шаг по времени ^т), связанный с частотой вращения заготовки (пзаг), для возможности проведения расчета с требуемой точностью. Это позволяет определять текущий радиус заготовки и, как описано в разделе 4.2.3, ее нецилиндрич-ность в любой момент времени обработки.

Таким образом, требования, предъявленные к предиктивным моделям параметров качества шлифования в разделе 4.1, удовлетворены. Каждая из рассмотренных моделей содержит в себе параметры, выражающие прямым или косвенным образом режимы и время шлифования, что позволяет установить соответствие результатов каждой из модели для множества различных ТУ, как показано на рисунке 4.4.

4.4 Вывод по четвертой главе

Путем сопряжения результатов компьютерного имитационного моделирования параметров звукового давления с предиктивными моделями параметров качества обработки (шероховатости и нецилиндричности) разработана комплексная модель.

Данная модель устанавливает взаимосвязь между амплитудой звукового давления на информативной частоте, шероховатостью и отклонением от цилин-дричности поверхности шлифуемой заготовки для конкретных ТУ (скорости радиальной подачи, геометрических параметров ШК и заготовки, рецептурных характеристик ШК, текущей работоспособности ШК, свойств ОМ, а также параметров окружающей среды и жесткости ТС). Модели, прогнозирующие параметры качества шлифования, были разработаны Л.В. Шипулиным (геометрическая модель формирования шлифованной поверхности и съема припуска) и А.Х. Нуркеновым (модель силового взаимодействия ШК и заготовки в процессе КНВШ).

5 МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОПЕРАЦИЙ ШЛИФОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПЕРИОДА СТОЙКОСТИ ИНСТРУМЕНТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АКУСТИЧЕСКОГО ПОКАЗАТЕЛЯ

5.1 Общая структура методики

Комплексная модель взаимосвязи шероховатости, нецилиндричности шлифованной поверхности и амплитуды звукового давления, генерируемого процессом шлифования (раздел 4.3), служит основой для методики проектирования операций шлифования (далее - методика), которая позволяет прогнозировать период стойкости инструмента с использованием акустического показателя.

Период стойкости согласно ГОСТ 21445-84 - это интервал времени работы инструмента между двумя последовательными правками, в течение которых инструмент соответствует заданным требованиям. При этом, какие именно критерии ограничивают время работы ШК, не оговаривается. Наиболее распространенным подходом является использование в качестве таких критериев конструкторские требования к качеству обработки (точность, шероховатость, отклонения формы, бесприжоговость и др.) [14]. Однако сложность такого подхода состоит в том, что для определения текущих параметров качества необходимо прекратить обработку и провести измерения. Преодолеть этот недостаток предлагается с помощью данной методики, в рамках которой устанавливается соответствие между параметрами качества обработки и акустическими характеристиками шлифования. Это позволяет использовать амплитуду звукового давления (Ар) в качестве критерия косвенного определения периода стойкости ШК.

Методика разрабатывается с целью научно-методического обеспечения акустического мониторинга процесса шлифования. Применение методики потребует дополнительного оснащения станка бесконтактным датчиком (микрофоном). Размещать микрофон следует в соответствии со схемой экспериментального исследования и параметрами, заданными при моделировании (табл. 2.8). Прием и обработка акустического сигнала может осуществляться с помощью персонального

компьютера или другого устройства, способного оцифровать аналоговый сигнал механических колебаний упругой воздушной среды (например, системы ЧПУ станка).

Мониторинг акустического сигнала шлифования применяется для косвенного определения текущих значений топографических параметров качества обработки - шероховатости и нецилиндричности. Алгоритм мониторинга, представленный на рисунке 5.1, описывает общую последовательность действий, необходимую для проведения обработки с гарантированным соблюдением требований качества.

Исходными данными для инициации алгоритма выступают технологические условия выполнения операции шлифования и конструкторские требования, предъявляемые к детали (рис. 5.1, блок 2). Исходя из характеристики применяемого ШК, группы обрабатываемости материала (ГрОМ) и твердости заготовки, выбирается карта прогнозирования области бездефектной работы (КПОБР) ШК. Этот документ представляет собой массив значений шероховатости (Яа), нецилиндричности (А) и соответствующих им значений амплитуды звукового давления (Ар). Значения Яа-А-Ар сгруппированы в ячейки, организованные в координатной плоскости режим-время. В этих координатах определяется область работы инструмента, внутри которой соблюдаются требования шероховатости и нецилиндричности (рис. 5.1, блок 3).

В блоках 4.1 и 4.2 определяются критические значения амплитуды звукового давления по требованиям шероховатости (рис. 5.1, блок 4.1) и нецилиндричности (рис. 5.1, блок 4.2). Установленным конструкторской документацией значениям шероховатости и нецилиндричности соответствуют два критических значения амплитуды звукового давления - их превышение ведет к возникновению некачественной продукции, брака. Из двух значений Аркрит и Аркрит выбирается соответствующее тому требованию качества, которое достигает своего критического значения раньше по времени - Ар^7 - оно будет служить критерием необходимости

восстановления режущих свойств ШК (рис. 5.1, блок 5). Это обеспечит соблюдение обоих предъявляемых конструкторских требований качества Raкрит и Акрит.

^ КОНЕЦ )

Рисунок 5.1 - Алгоритм акустического мониторинга операций шлифования (для применения на производстве)

Далее запускается процесс шлифования, с помощью которого достигаются требуемые размеры, точность и качество поверхности детали (рис. 5.1, блок 6.1). Параллельно осуществляется акустический мониторинг процесса (рис. 5.1, блок 6.2), в результате которого определяется текущее значение амплитуды звукового давления, генерируемого процессом шлифования Артек В процессе шлифования происходит сравнение значений Артек и Арк^ (рис. 5.1, блок 7).

В случае если Артек < Ар^7, необходимо выполнить проверку на предмет того, достигла ли шлифуемая заготовка требуемых размеров и точности (рис. 5.1, блок 8). Если размеры и точность заготовки соответствуют заданным

требованиям (т.е. удален припуск), то операция шлифования завершается. Если не весь припуск удален с заготовки, то процесс шлифования и акустический мониторинг продолжаются.

По достижении Артек значения Аркрит процесс шлифования прекращается и выполняется процедура правки ШК (рис. 5.1, блоки 9, 10). После восстановления режущей способности инструмента операция шлифования возобновляется.

5.1.1 Карты прогнозирования области бездефектной работы

шлифовального круга по акустическому показателю

Ключевым элементом алгоритма акустического мониторинга операций шлифования выступает блок 3 (рис. 5.1), в котором происходит выбор карты прогнозирования области бездефектной работы применяемого ШК в установленных технологических условиях для предъявленных конструкторских требований. Альбом КПОБР ШК - это база данных, содержащая сведения о значениях амплитуды звукового давления, характерных процессу шлифования во множестве вариантов его исполнения. Отдельные карты устанавливают связь между Ар и параметрами качества шлифования - Яа и А для процесса, реализуемого ШК определенных характеристик и геометрических свойств в конкретных технологических условиях.

Разработка КПОБР ШК по акустическому показателю осуществляется в соответствии с алгоритмом, представленным на рисунке 5.2.

В блоке 2 проводится ввод исходных данных первого порядка (табл. 5.1). Эти данные определяют технологические условия выполнения операции, а также конструкторские требования, предъявляемые к обрабатываемой заготовке. Исходные данные первого порядка разделяются на технологические постоянные, технологические переменные и конструкторские. Группа технологических данных описывает факторы, формирующие амплитуду звукового давления. Технологические постоянные данные остаются неизменными на протяжении всего выполнения операции, а технологические переменные - изменяются. Так, изменяется степень износа ШК, выраженная через длину площадки затупления 1з абразивного зерна. В соответствии с этим изменяется (возрастает) сила шлифования Р,

возбуждающая механические колебания ШК; изменяются амплитуды колебаний ШК и звукового давления.

( НАЧАЛО^) / ИД1 ¡-

I

ИД_2

Г7

4.1-

4.2-

7

4.3-

_I

1-5- V (Иа, Д] 3! {Ар}

Область работоспособности ШК

I

Ограничения:

Иа; А.

Исходные данные первого порядка:

- технологические постоянные параметры;

- технологические переменные параметры;

- конструкторские требования обработки.

Исходные данные второго порядка:

- справочные (свовд; рВ01Д; \тд, гвтд);

■ расчетные (Г„нф; Хшк; Ашк; ушк; Ешк; РшК' СШК' Чозд' Р)'

Моделирование параметров шлифования:

- шероховатости обработанной поверхности;

- нецилиндричности обработанной поверхности;

- амплитуды звукового давления.

Установление соответствий множествам значений шероховатости и нецилиндричности множеству значений амплитуды звукового давления

Формирование массива данных, содержащих согласованные значения параметров качества и акустического показателя для множества технологических условий выполнения операции

Введение конструкторских ограничений

и ог

АпК| АР„

и определение критического значения

криг 111 ¡п

Альбом карт прогнозирования области бездефектной работы шлифовального круга по акустическому показателю

( КОНЕЦ ^

Рисунок 5.2 - Алгоритм разработки альбома карт прогнозирования области бездефектной работы шлифовального круга по акустическому показателю

Для определения области работоспособности ШК вводятся конструкторские требования, определяющие его период стойкости. Методика предусматривает два критерия оценки периода стойкости ШК - шероховатость и отклонения формы (отклонение от цилиндричности) обработанной поверхности детали. Значения этих параметров указываются в чертеже детали и принимаются как критические: Яакрит и Дкрит - их превышение приводит к возникновению брака продукции.

В блоке 3 проводится подготовка данных первого порядка к дальнейшему их использованию - это исходные данные второго порядка (табл. 5.2). Исходные

данные второго порядка разделяются на справочные и расчетные. Справочные данные (скорость распространения звука в воздухе, плотность воздуха и акустический импеданс воздуха) определяются по рекомендациям технических справочников [5] для обеспечения соответствия технологическим условиям выполнения операции. Определение расчетных данных требует дополнительных вычислений по известным зависимостям или с помощью других способов.

Таблица 5.1

Исходные данные первого порядка

Технологические постоянные параметры

ШК тип ШК; • геометрия ШК; • характеристика ШК;

ОМ • интенсивность напряжений, ха- • коэффициент трения АЗ ОМ рактеризующих сопротивление ОМ пластической деформации;

Режим обработки • скорость ради- • частота враще- • частота враще-альной подачи; ния ШК; ния заготовки;

Параметры среды • температура среды; • относительная влажность среды;

Дополнительные • жесткость технологической системы; • объём удаляемого припуска;

Технологические переменные параметры

• характеристика износа ШК (величина площадки затупления);

Конструкторские параметры обрабатываемой поверхности

• шероховатость; • отклонение от цилиндричности.

Часть исходных данных первого порядка, а именно совокупность параметров рецептурной характеристики ШК (абразивный материал, зернистость, твердость, структура, связка), не могут напрямую использоваться в расчете параметров звукового давления, создаваемого упругими колебаниями ШК. Для этого применяются параметры упругости ШК. Метод определения интегральных упругих параметров ШК - коэффициента Пуассона и модуля Юнга, подробно изложен в разделе 2.3.2.1. Подход к определению информативной частоты, в пределах которой будет проводиться мониторинг акустического сигнала и определяться амплитуды звукового давления, приведен в разделе 2.3.2.2. Для этого определяется наиболее значимая мода собственных колебаний ШК - низшая изгибная мода с одной узловой окружностью, совпадающей с областью посадки ШК на шпиндель станка методом собственных колебаний или расчетом.

После определения всех исходных данных в форме, приемлемой для проведения вычислений, выполняется расчет значений Ар для множества вариантов технологических условий в рамках координатной плоскости режим-время шлифования (блок 4.3). Расчёт значений Ra и А, обозначенных в алгоритме блоками 4.1 и 4.2 для аналогичных технологических условий, выполняется в соответствии с методиками, предложенными Л.В. Шипулиным [203] и А.Х. Нуркеновым [147]. Математические модели, согласно которым происходят вычисления, описаны в четвертой главе (раздел 4.3).

Таблица 5.2

Исходные данные второго порядка

Параметры Справочные Расчетные

Колебаний ШК - информативная частота; длина звуковой волны; амплитуда колебаний

Упругости ШК - коэффициент Пуассона; модуль Юнга; плотность; скорость распространения звука

Окружающей среды скорость распространения звука; плотность; акустический импеданс длина акустической волны, создаваемая колебаниями ШК

Возбуждающего воздействия - сила шлифования

Необходимое для формирования КПОБР согласование значений Яа, А и Ар обозначено в блоке 5. Модели, использованные для описания шероховатости и нецилиндричности шлифованных заготовок, а также амплитуды звукового давления имеют компоненты режима и времени обработки. По этой причине существует возможность провести согласование параметров, выразить показатели качества обработки через акустический показатель. Результатом такого согласования выступает комплексная модель параметров шлифования, в которой шероховатость и нецилиндричность шлифованной поверхности заготовки выражены через режим, время обработки и соответствующую им амплитуду звукового давления.

С помощью комплексной модели параметров шлифования рассчитывается область работоспособности ШК (рис. 5.2, блок 6). Для множества характеристик ШК и принятых технологических условий рассчитываются значения Ra, А и Ар,

соответствующие друг другу и своим позициям в координатах режим-время шлифования.

Описанная область работоспособности не позволяет установить предельные значения режимов и времени обработки. Для этого на полученную область работоспособности ШК накладываются ограничения согласно требованиям конструкторской документации (рис. 5.2, блок 7). Примененные ограничения формируют область бездефектной работы ШК, внутри которой соблюдаются конструкторские требования по шероховатости и нецилиндричности шлифованной поверхности (рис. 5.2, блок 8). Данная область показывает множество режимов и соответствующие им времена обработки, в течение которых эти требования соблюдаются -это завершающий этап реализации алгоритма.

5.2 Эмпирический способ разработки карт прогнозирования области бездефектной работы шлифовального круга

Разработка КПОБР ШК предполагает использование математических моделей, устанавливающих зависимости топографических параметров качества шлифованных поверхностей обработки и акустических характеристик от технологических факторов реализации операции шлифования: Яа = Д(т, Vsрад); А = Д(т, Vsрад); Ap = Д(т, Vsрад). Для расширения универсальности применения таких моделей предлагается использование аналитических моделей, рассмотренных во второй и четвертой главах работы. Однако на начальном этапе разработки темы исследования [67] с целью создания прототипа КПОБР ШК были созданы эмпирические модели топографических параметров качества обработки и акустических характеристик шлифования. В результате установлена принципиальная возможность согласования параметров шероховатости и нецилиндричности с амплитудой звукового давления процесса шлифования.

В третьей главе работы (раздел 3.3) описано экспериментальное исследование акустических характеристик, сопровождающих процесс шлифования. В результате получена регрессионная модель амплитуды звукового давления в зависимости от режима шлифования и времени обработки (3.1).

В аналогичных технологических условиях проведено исследование топографии шлифованных поверхностей заготовок. Экспериментальная установка представляет собой круглошлифовальный станок 3М151 с установленным на нем ШК 1 600x50x305 25А Б46 Ь 6 V 50 ГОСТ Р 52781-2007. Использовались следующие режимы обработки: скорость вращения ШК Vшк = 50 м/с; скорость вращения заготовки в центрах Vзаг = 25 м/мин; ширина шлифования 1ш = 10 мм; скорость радиальной подачи круга Vsрад в зависимости от проводимого опыта составляла 0,2; 0,3; 0,5; 0,8 мм/мин; время обработки в зависимости от проводимого опыта Т1 = 1 мин, т2 = 2 мин, т3 = 5 мин.

Испытуемые образцы представляют собой диски из стали 45, диаметром 70 мм с отверстием для посадки на оправку, твердостью 50.55 HRC. Каждый образец фиксируется на цилиндрической оправке, которая устанавливается в центрах шлифовального станка. Вращательное движение на заготовку передается через поводковый патрон. Последовательно проводится по три опыта в течение разных отрезков времени (1; 2; 5 мин.) на каждой из исследуемых подач (0,2; 0,3; 0,5; 0,8 мм/мин). До начала опыта с поверхности образца удаляется припуск со следами предыдущей операции, а ШК перед каждым новым опытом подвергается правке.

Исследование реальной топографии шлифованных образцов осуществлялась на двух уровнях - макроуровень (исследование отклонений от цилиндрично-сти) и микроуровень (исследование шероховатости).

Определение величины макроотклонений формы образцов произведены с помощью шестиосевой координатно-измерительной машины КИМ-1000 (рис. 5.3) измерительным наконечником. Применен метод сканирования с дискретностью шага 0,1 мм. Для оценки отклонения цилиндричности образцы сканировались в двух сечениях (рис. 5.4).

В результате измерений поверхности шлифованных образцов с помощью КИМ были получены координаты облака точек, описывающие реальный профиль заготовок. По этим координатам построены полярные лепестковые диаграммы (круглограммы) разностей длин радиусов, проведенных из центра окружности к каждой точке.

Рисунок 5.3 - Внешний вид КИМ-1000

Рисунок 5.4 - Схема измерений макронеровностей образца

На рисунке 5.5 отражены отклонения от круглости в двух сечениях образца, шлифованного со скоростью врезной подачи 0,3 мм/мин в течение 5 минут.

Рисунок 5.5 - Круглограммы образца, шлифованного в течение 5 минут на подаче 0,3 мм/мин а) в сечении 1; б) в сечении 2

Для выявления реального отклонения от круглости в двух сечениях применена фильтрация данных с помощью функции скользящего усреднения (сглаживание - smoothing). В результате получены кривые для каждого сечения, игнорирующие коротковолновую составляющую колебаний неровностей образцов и отражающие только низкочастотные отклонения от номинального профиля (рисунок 5). Высокая наглядность таких кривых полезна при исследовании макротопографии шлифованных поверхностей. Шаг рассматриваемых неровностей образцов

заключен в угол от 60° до 160° в зависимости от режима обработки. Высота отфильтрованных таким образом неровностей нигде не превышает 8 мкм.

На рисунке 5.6 в графической форме приведены данные результатов измерений макронеровностей шлифованных образцов, из которых видно, что отклонения от цилиндричности возрастают с течением времени и имеют прямую зависимость от скорости врезной подачи. Также отмечается некоторое отклонение от схожего характера возрастающих во времени значений нецилиндричности на подаче 0,8 мм/мин. Это может быть связано с переходом к режиму самозатачивания ШК, которое в дальнейшем переходит в этап преимущественного затупления.

0,025

0,02

0,015

0,01

0,005

§ 3 ... • А * *д*

<г .....

...-Г

£.......о......... ...... ........а **о*

.................. о •••*;;&..... .......

т, мин

0,5

0,3

0.2

мм/мин мм/мин мм/мин мм/мин

Рисунок 5.6 - Зависимости изменений нецилиндричности от времени шлифования Измерение шероховатости образцов проводилось с помощью профилометра контактного, степени точности 1 по ГОСТ 19300-86, модели 130 в осевом направлении заготовки на базовой длине 2,5 мм. Шероховатость каждого образца фиксировалась в шести участках с шагом 60° по периферии. В результате определены средние значения шероховатости по шести измерениям для каждого образца и получены графики изменения шероховатости во времени (рис. 5.7).

Полученные экспериментальные данные были подвергнуты регрессионному анализу, в результате которого установлены зависимости:

А = 0,01 + 0,021-УБрад + 0,002- т; (5.1)

Ra = 1,021 + 1,913^рад - 0,0245- т (5.2)

Установлены зависимости значений нецилиндричности А и шероховатости Ra от амплитуды звукового давления Ар для указанных технологических условий процесса Vsрад и т. Для этого имеющиеся регрессионные зависимости (3.1), (5.1) и

(5.2) решаются относительно фактора времени работы ШК, после чего выражаются искомые параметры:

А = 0,0007-Ар + 0,02^рад + 0,078; (5.3)

Яа = - 0,008-Ар + 2,03^рад + 11,83. (5.4)

Полученные модели (5.3) и (5.4) отражают, каким образом согласуются топографические параметры шлифованной поверхности заготовки с амплитудой звукового давления, генерируемого процессом шлифования для конкретных ТУ.

2

1,8 1,6 1,4 1,2 1

0,8

2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4

я и я • V Эрад ~ °>2 мм/мин

1 •

✓ * - -

• ~ • 1

• 1 1, мин

1 2

4 5 6

а)

я и Я V Эрад ~ °-5 мм/мин

1

• V ✓ ч ^

*

г • "о ^

ф •

т, мин

2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1

3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8

я е Я м У8рад = 0.3 мм/мин

1

Мн •

У ► (

у ✓ » 1

✓ 1

I, мин

б)

3 • • 1 1 У8рад = 0>8 мм/мин

й • 9

в- - _•_

• _•_ 1

•

т, мин

1 2

4 5 6

в) г)

Рисунок 5.7 - Эмпирические графики изменений шероховатости для режимов обработки: а - 0,2 мм/мин; б - 0,3 мм/мин; в - 0,5 мм/мин; г - 0,8 мм/мин

Используя модели (5.3) и (5.4), предлагается разработка КПОБР ШК. В таблице 5.3 приведен пример КПОБР ШК, разработанный для следующих технологических условий: вид шлифования - КНВШ; применяемый инструмент - ШК 1 600^50x305 25А F46 L 6 V; материал заготовки - сталь 45; твердость поверхности заготовки - 50...55 HRC; частота вращения ШК - 1590 об/мин; частота вращения заготовки - 200 об/мин. Диапазон исследуемых подач - от 0,05 до 0,5 мм/мин4 с дискретностью 0,05 мм/мин5. Максимальная продолжительность обработки - пять

минут