Технологическое обеспечение шероховатости и точности поверхности ступенчатых валов с учетом малоамплитудного трения на переходных режимах в исполнительных механизмах станка с ЧПУ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат наук Вьюшин Роман Вячеславович

• Вьюшин Роман Вячеславович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Вьюшин Роман Вячеславович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ И ТОЧНОСТИ ФОРМЫ В ПРОЦЕССЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТУПЕНЧАТЫХ ВАЛОВ

1.1 Анализ основных проблем

1.2 Факторы, влияющие в технологическом процессе изготовления ступенчатого вала на точность формы и параметры шероховатости поверхности

1.3 Обзор методов технологического обеспечения шероховатости и точности формы ступенчатых валов

1.4 Обзор литературных источников, постановка цели и задач исследования

ГЛАВА 2 СПОСОБ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА

ПОВЕРХНОСТИ СТУПЕНЧАТЫХ ДЕТАЛЕЙ ТИПА «ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ» НА УЧАСТКАХ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ

2.1 Роль приводов в обеспечении требуемой точности ступенчатых деталей

2.2 Трение в направляющих при наличии граничного слоя смазочного материала

2.3 Исследование нелинейных связей и условий их проявления в приводах подач

2.4 Выводы по второй главе

ГЛАВА 3 ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТУПЕНЧАТЫХ ВАЛОВ С УЧЕТОМ

ПРОЦЕССОВ МАЛОАМПЛИТУДНОГО ТРЕНИЯ В НАПРАВЛЯЮЩИХ СТАНКА НА ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ

3.1 Упрощение нелинейной математической модели технологической системы механической обработки деталей типа «тел вращения»

3.2 Моделирование динамических процессов технологической системы механической обработки деталей типа "тел вращения" на основе переходного процесса

3.3 Имитационное моделирование влияния переходных режимов при смене направления обработки на динамическую устойчивость в технологической системе механической обработки ступенчатых деталей типа «тел вращения»

3.4 Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ КОРРЕКТИРОВКИ ИСПОЛНИТЕЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ ЧПУ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ И ТОЧНОСТИ В ПРОЦЕССЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТУПЕНЧАТОГО ВАЛА

4.1 Экспериментальные исследования влияния корректировки исполнительной программы ЧПУ на процесс динамической устойчивости механической обработки

4.2 Экспериментальные исследования параметров шероховатости поверхности при изменяемых режимных параметрах в областях переходного процесса изготовления ступенчатых деталей

4.3 Экспериментальные исследования точности формы детали «вал-шестерня» редуктора с использованием метода корректировки режимных параметров на участках переходных процессов

4.4 Выводы по четвертой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Технические характеристики приборов

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Акт опробования

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Акт внедрения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технологическое обеспечение шероховатости и точности поверхности ступенчатых валов с учетом малоамплитудного трения на переходных режимах в исполнительных механизмах станка с ЧПУ»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. Детали типа валов и осей являются одними из наиболее нагруженных деталей машин и механизмов и применяются во всех отраслях машиностроения. Исходя из условия прочности целесообразно конструировать валы переменного сечения, приближающиеся по форме к телам равного сопротивления. Ступенчатая форма удобна для изготовления и сборки, уступы могут воспринимать большие осевые силы.

При изготовлении валов, для обеспечения надежности подшипников, снижения вибраций и изгибающих напряжений предъявляются высокие требования к точности размеров (к6...к8), геометрической форме, взаимному расположению отдельных поверхностей и шероховатости поверхности (0,40...1,25 мкм). Для изготовления высоконагруженных валов используют легированные многокомпонентные стали: 40ХН, 40ХН2МА, 40ХНТА, 30ХГТ, 30ХГСА. Валы из этих сталей обычно подвергают закалке с высоким отпуском или поверхностной закалке ТВЧ с низким отпуском.

Наиболее трудоемкими считаются ступенчатые валы, для установки быстроходных конических валов применяются радиально-упорные подшипники, вследствие чего предъявляются высокие требования к качеству и точности уступов вала. Технологические переходы при изготовлении ступенчатых валов характерны высокой концентрацией переходных процессов, при которых происходит изменение режимных параметров обработки, направления движения инструмента, осуществляемого одновременно приводами продольных и поперечных подач. Точность обработки валов ступенчатых поверхностей на станках с ЧПУ характеризуется дополнительными специфическими проявлениями: точностью линейного позиционирования рабочих органов, величиной зоны нечувствительности, отставанием при смене направления движения, точностью возврата, стабильностью выхода в заданную точку, а также режимом интерполяции в условиях переходных процессов.

Отличительной чертой обработки в условиях переходных режимов является резание с переменной величиной нагрузки в сечении срезаемого слоя, что приводит к изменению сил резания, появлению вибраций, увеличению шероховатости поверхностного слоя и уменьшению точности размеров, усиленному износу режущей поверхности инструмента. Это в свою очередь снижает стойкость инструмента и способствует появлению зазоров и люфтов в технологической системе.

Важнейшим условием получения высокого качества обрабатываемой поверхности является обеспечение устойчивости процесса резания. На развитие автоколебательного процесса в технологической системе механической обработки (ТСМО) в том числе оказывают влияние процессы малоамплитудного трения в суппортной группе станка, особенно это актуально на переходных режимах обработки.

К вопросам технологического обеспечения шероховатости и точности поверхностей деталей, изготавливаемых на станках с ЧПУ уже подходили со стороны прогнозирования износа режущего инструмента, термических процессов, упругих деформаций заготовки в процессе обработки. Однако при изготовлении ступенчатых валов, в которых предъявляются высокие требования к точности и шероховатости поверхностей одновременно торца и шеек вала (например, вал-шестерня) важно учитывать изменение динамических свойств ТСМО на участках переходных процессов.

Реализация алгоритмов построения исполнительного кода системы ЧПУ в САМ-системах, учитывающих изменение устойчивости технологической системы на участках смены направления движения инструмента и областях разгона - торможения, обеспечивающих "устойчивые" режимные параметры обработки на всем технологическом переходе, обеспечит требуемые параметры качества и точности изготавливаемых поверхностей, позволит заменить операцию шлифования финишной токарной обработкой на станке с ЧПУ, тем самым повысит производительность, снизит удельные затраты на деталь, снизит влияние

человеческого фактора, повысит эксплуатационные характеристики вала отсутствием канавок для выхода шлифовального круга.

Объектом исследования является обеспечение параметров точности формы и шероховатости поверхности ступенчатых деталей типа «тел вращения».

Предметом исследования является шероховатость поверхностного слоя и точность формы ступенчатых поверхностей деталей типа «тел вращения».

Цель работы заключается в технологическом обеспечении параметров точности и шероховатости поверхности ступенчатых валов на основе реализации алгоритмов создания исполнительного кода ЧПУ с учетом изменения устойчивости технологической системы на переходных режимах и процессов малоамплитудного трения в направляющих токарного станка при чистовой обработке.

Методы исследования работы основываются на основных теоретических положениях технологии машиностроения, теории резания однолезвийным инструментом металлов, теории автоколебаний, трибоники. Проведение экспериментальных исследований осуществлялось с применением современных средств компьютерного моделирования LabVIEW 2014, использованием высокоточных приборов VibxpertEx и MMQ 400 CNC.

Достоверность полученных результатов, выводов и рекомендаций в диссертационной работе обеспечиваются: точными физико-математическими постановками задач и методов их решения; применением в исследовательской части работы современных методов технологии машиностроения, теории резания материалов, динамики технологической системы механической обработки и современных вычислительных приборов и техники; высокой сходимостью теоретических и экспериментальных значений; положительным опытом внедрения разработанных методик и рекомендаций в промышленных условиях.

Научная новизна заключается в решении актуальной задачи, направленной на выявление связей между заданными показателями качества поверхности изделия и динамическими свойствами технологической системы на участках обработки «углов», позволяющая разработать новый технологический процесс детали «вал-шестерня» за счет реализации алгоритма построения программы ЧПУ, корректирующей режимные параметры обработки переходных процессов с учетом изменения границ области устойчивости ТСМО.

Составляющими научной новизны являются:

- разработка математической модели технологической системы на переходных режимах при изготовлении ступенчатых валов с учетом особенностей малоамплитудного трения в узлах позиционирования инструмента на станках с ЧПУ;

- установление параметров влияния дискретности системы ЧПУ на технологическое обеспечение шероховатости поверхностей ступенчатого вала;

- создание алгоритмов интерполяции управляющей программы в областях переходных процессов с учетом изменения динамических свойств ТСМО.

- разработка алгоритма построения программы ЧПУ, автоматически корректирующей режимные параметры обработки переходного процесса с учетом изменения границ области устойчивости ТСМО и требуемых параметров шероховатости и точности обрабатываемой поверхности.

Практическая ценность работы:

- разработанная технология изготовления прецизионных поверхностей ступенчатых валов с обеспечением требований по шероховатости поверхности, точности размеров, прямолинейности, круглости;

- практические рекомендации по выбору режимных параметров и дискретности системы ЧПУ на переходных режимах обработки прецизионных ступенчатых валов для обеспечения требуемой точности и шероховатости поверхности.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Функциональные зависимости, позволяющие устанавливать скорость и дискретность перемещения суппорта для обеспечения требуемой точности обработки траектории по направляющим скольжения в условиях граничного трения на участках обработки переходных процессов.

2. Математическая модель ТСМО, учитывающая влияние изменения режимных параметров, возникающих на этапах переходных процессов и этапах обработки сложной траектории с припуском и режимами резания, необходимыми для обеспечения устойчивого резания и технологическим обеспечением параметров шероховатости и точности при изготовлении сложнопрофильных деталей типа «тел вращения».

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-практических конференциях: Всероссийская конференция - конкурс студентов выпускного курса (г. Санкт-Петербург, 2013г.); Международный форум - конкурс молодых учёных «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, 2013г.); 1ая Региональная межвузовская научно - практическая конференция «Инновационные системы плани-рования и управления на транспорте и в машиностроении» (г. Санкт-Петербург, 2013г.); 2ая Международная научно -практическая конференция «Инновационные системы планирования и управления на транспорте и в машиностроении» (г. Санкт-Петербург, 2014 г.); 3ая Международная научно - практическая конференция «Инновации на транспорте и в машиностроении» (г. Санкт-Петербург, 2015 г.); «Инновации на транспорте и Машиностроении» (г. Санкт-Петербург, 2016 г.).

В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на заседании кафедры «Машиностроения» ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет» в 2017 г.

Основные положения работы и результаты исследований отражены в НИР в рамках выполнения проектной части государственного задания № 9 -2642-2014/К от 11 июля 2014 г. Проект: «Разработка и исследование микроструктуры режущей керамики, ее влияние на управление работоспособностью инструмента и параметры качества обработки на станках с ЧПУ».

Методика использования изменяемых режимных параметров на основе обеспечения устойчивости технологической системы на участках переходных опробована в производственном процессе предприятия НПО «Ленинградский Электромеханический завод «ЛЭЗ».

Отдельные научные положения работы приняты к внедрению в учебный процесс подготовки бакалавров по направлению 15.03.01 -Машиностроение, профилю «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств» ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, 3 из них входят в перечень журналов, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и содержание. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертационная работа изложена на 166 страницах машинописного текста, в том числе содержит 28 таблиц, 94 рисунка, 103 наименований литературы.

Работа соответствует паспорту специальности - 05.02.08 «Технология машиностроения». Согласно формуле специальности, в ней «совершенствуются существующие и разрабатываются новые методы обработки и сборки с целью повышения качества изделий машиностроения и снижения себестоимости их выпуска» в соответствии

с пунктом (4), а также «соблюдается технологическое обеспечение и повышение качества шероховатости поверхностного слоя, точности и долговечности деталей машин» в соответствии с пунктом (7).

В первой главе приведён обзор состояния актуальной проблемы связанной с обеспечением требуемой точности и качества поверхностного слоя ступенчатых поверхностей вала-шестерни редуктора.

Проведённый анализ чертежа детали «ступенчатый вал» позволил выделить ответственные поверхности вала, к шероховатости и точности которых предъявляются повышенные требования. Проведенный анализ в соответствии с целью работы позволил сформулировать задачи планируемых экспериментальных исследований.

Во второй главе рассматривается метод обеспечения динамической стабильности технологической системы на участках переходных процессов при изготовлении поверхностей деталей типа «тел вращения» с учетом процессов трения в направляющих станка с ЧПУ. В результате экспериментальных исследований вибраций на различных участках контурной обработки выявлены "критичные" точки, в которых процессы трения в суппортной группе окзывают доминирующее воздействие на качество изготавливаемого изделия. На основе современных моделей процессов трения вычислены величины возмущающих воздействий на переходных процессов со стороны подсистем суппортоы на ТСМО.

В третьей главе выбрана математическая модель, описывающая поведение четырехконтурной технологической системы механической обработки, включающей подсистемы «инструмент» и «заготовка». Переход от сложной многомерной к упрощенной модели осуществлялся по методике проф. В.Л. Вейца. Учет переходных процессов при обработке ступеней, осуществляется через переключатели, вводящие в систему коэффициенты и возмущающие сигналы, характеризующие каждый этап обработки в отдельности. Решение полученной системы дифференциальных уравнений с

учетом переходных процессов реализовывалось в программной среде N1 LabVIEW 2014.

В четвертой главе проведены экспериментальные исследования по отработке технологии изготовления ответственных поверхностей ступенчатых поверхностей вала-шестерни. Рассмотрены практические вопросы, связанные с изготовлением в технологическом процессе детали вал-шестерня на основе изменяемых режимных параметров процесса механической обработки на участках переходных процессов, позволяющего обеспечить параметры шероховатости поверхности по значению Яа и требования по отклонениям от цилиндричности, круглости, прямолинейности, что дает возможность в технологическом процессе отказаться от круглошлифовальной операции.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ И ТОЧНОСТИ ФОРМЫ В ПРОЦЕССЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТУПЕНЧАТЫХ ВАЛОВ 1.1 Анализ основных проблем Особенность эксплуатации горно-шахтного оборудования на этапе проводимых подземных горных выработок обуславливается сложными условиями. К ним относятся агрессивная окружающая среда, ограниченность рабочей зоны, химическая активность шахтных вод, переменные динамические нагрузки, высокие показатели температуры, взрывоопасность атмосферы. В результате, к машинам и элементам горного производства предъявляются целый комплекс специальных требований. Во - первых, возможность надежного и легкого монтажа - демонтажа узлов и механизмов. Во - вторых, для защиты от опадания внутрь гидросистем микрочастиц пыли и породы должны применять пылеулавливатели и влагопоглотители. В -третьих, детали горных машин должны обладать достаточным запасом прочности для дальнейшего восприятия высоких нагрузок. В - четвертых, соблюдение жестких требований безопасности в условиях применения горных машин и электрооборудования [75].

В современных шахтах по добыче угля применяются различные виды машин и оборудования. Одним из таких видов являются механизированные комплексы. Основным функциональным элементом в комплексе, отвечающим всем выше перечисленным требованиям, служит скребковый конвейер шахтный (Рисунок 1.1), являющаяся важнейшим компонентом горно-шахтного оборудования, определяющая работоспособность и производительность всего очистного забоя. Скребковый конвейер представляет собой транспортирующее устройство для перемещения малогабаритных насыпных грузов, осуществляемого по неподвижному желобу-рештаку при помощи скребков, закрепленных на одной или нескольких тяговых цепях и погруженных в слой насыпного груза.

Рисунок 1.1 - Скребковый конвейер

Наиболее ответственным элементов заборного конвейера является редуктор, и поскольку фактическая средняя наработка по добыче угля зачастую превышает нормативную наработку, редукторы вырабатывают фактический ресурс до капитального ремонта ранее установленного срока.

Как показывает практика, в процессе эксплуатации оборудования возникают непредвиденные отказы и поломки, нарушающие работу редукторов. Проведенный анализ причин позволил установить, что основными факторами служат разрушение подшипников, износ конической вал-шестерни и шестерни. Основной причиной отказов редукторов является разрыв сепаратора и разрушение подшипника качения быстроходной конической вал-шестерни. Для обеспечения правильной работы подшипников необходимо соблюдение соответствующих посадок на цапфах салов и в гнездах корпусов. Основной причиной достижения предельного состояния редуктора являются дефекты в сопряжении быстроходного конического вала-шестерни и корпуса. Погрешности в соосности валов редуктора и двигателя приводят к увеличению динамических нагрузок и вибраций подшипника. Также отмечается лавинообразный характер распространения поломок, когда одна неиправность приводик к

последовательному выходу из строя всех подшипников, заеданиям и как следствие выкрашиванию поверхности зубьев шестерен.

Помимо этого, при круглошлифовальной операции могут возникнуть шлифовочные прижоги, способствующие изменению структуры в поверхностном слое металла. Вследствие этого на пограничных участках преобразованной структуры образуются шлифовочные трещины, создающие концентратор напряжения и снижающие износостойкость, а также усталостную прочность изготавливаемой детали (Рисунок 1.2) [6]. А изготовление канавок для захода шлифовального круга снижает прочностные характеристики вала.

а_ь МПа

508152! 4 70(1,8)

им Ц

3921Ш 353(36) 3%(32)

V---- 1

1 —•-

V о

• ч 2

О

1

2

3

4

5

6

N■10

б

Рисунок 1.2 - Влияние шлифовочных прижогов на предел выносливости стали 40ХН, где: 1 - без прижогов; 1 - с прижогом Таким образом, проведенный анализ факторов позволил сделать вывод,

что при технологическом обеспечении заданных в чертеже значений шероховатости поверхности и точности формы на этапе изготовления детали коническая вал-шестерня редуктора необходимо отказаться от круглошлифовальной операции с целью предотвращения образования нежелательных факторов в виде шаржирования, снижения износостойкости и усталостной прочности. При этом качественные показатели стоит формировать на этапе токарной обработки с ЧПУ. Однако для достижения

заданных качественных показателей требуется учесть требования технологического процесса и факторы, во многом определяющие формируемую точность формы и шероховатость поверхности ступенчатого вала, рассмотрение которых будут производиться в следующем пункте.

1.2 Факторы, влияющие в технологическом процессе изготовления ступенчатого вала на точность формы и параметры шероховатости поверхности

Проведя анализ действующего технологического процесса вала-шестерни редуктора выявлено, что изготовление детали производится из марки стали 40ХН, химический состав и механические свойства которой представлены в таблицах 1.1, 1.2. Самые высокие требования предъявляются к поверхности вала на участке с диаметром 05 0+^ I\ (Рисунок 1.3), где необходимо помимо обеспечения параметра шероховатости по значению Я а=0.8 мкм, соблюсти назначение допуска на цилиндричность, прямолинейность и округлость не более чем 0,1 мм. Также необходимо изготовить прилегающий торец по Я а=1.6 мкм. Допуск торцевого биения на диаметр 060I '7^ относительно оси А не должен превышать 0,012 мм, а радиальное биение -0,1 мм.

Формирование качества поверхности на цилиндрическом участке вала 10 018

диаметром осуществляется с учетом круглошлифовальной

операции, которая как уже ранее было описано, может привести к формированию шаржированной поверхности, а также усталостной прочности и сниженной износостойкости, нарушая эксплуатационные свойства вала [6]. В целях устранения возможных негативных последствий целесообразно исключить из технологического процесса крглошлифовальную операцию, достигая заданные показатели геометрической точности формы и шероховатости поверхности в технологическом процессе изготовления

детали коническая вал-шестерня на этапах механической токарной обработки.

Слежует отметить тот факт, что формирование качественных показателей на этапах механической токарной обработки требует проведения глубокого анализа, позволяющего выделить факторы, оказывающие наибольшее влияние на точность формы и шероховатость поверхности при изготовлении детали «вал-шестерня» редуктора. Решение данной задачи позволит в соответствии с технологическим процессом соблюсти необходимые качественные показатели ответственных поверхностей вала, как показано на чертеже, без применения круглошлифовальной операции.

Рисунок 1.3 - Технологические требования, предъявляемые к детали «вал-

шестерня» редуктора

Таблица 1.1 - Химический состав стали 40ХН (ГОСТ 4543-71)

С,% Мп,% N1, S, % не Р, % не Сг, % Си, % не Ре,

% более более более %

0,36 - 0,17 - 0,5- 1-1,4 0,035 0,035 0,45- 0,3 ~96

0,44 0,37 0,8 0,75

Таблица 1.2 - Механические свойства стали 40ХН

Предел Предел Относительное Относительное Твердость Удельный Модуль

прочности текучести удлинение 8, % сужение НВ, МПа вес, упругости

ов, МПа от , МПа р, % г/см3 Е,

МПа

980 785 11 45 302-352 7,82 2105

Так, формирующаяся шероховатость поверхностности на этапе механической обработки детали «вал-шестерня» редуктора зависит от ряда следующих приведенных факторов (Рисунок 1.4) [69]:

- геометрической части режущего инструмента ^ определяющейся состоянием угла в плане р и вспомогательным углом в плане р', радиусом при вершине , а также влиянием кинематического перемещения инструмента;

\ / _^_

Рисунок 1.4 - Схема расчета высотного профиля шероховатости поверхности при механической обработке, где: 1 - задаваемый профиль; 2 - реальный профиль

- колебательного движения инструмента 12 в направлении нормали к обрабатываемой поверхности заготовки, зависящего от скорости резания - V,

t - глубины резания, с - жесткости технологической системы, НВ -твердости заготовки;

- упругопластической деформации срезаемого слоя при контакте режущего инструмента с обрабатываемой поверхностью

- шероховатости инструмента 74, описывающегося значениями Я2" -шероховатости вершины резца и подачей - .

В совокупности данные четыре фактора определяют среднюю высоту профиля шероховатости поверхности, образующуюся при механической обработке.

На точность формы в технологическом процессе изготовления высокоответственной детали «вал-шестерня» редуктора может повлиять [1, 26]: размерный износ инструмента; наростообразование на режущей кромке инструмента (Рисунок 1.5); недостаточная жесткость технологической системы станка; вибрации при механической обработке.

4

\ лнк

Рисунок 1.5 - Влияние наростообразования на отклонение от точности в поперечном сечении АНК и на увеличение шероховатости поверхности по параметру Я а, где: 1 - режущий инструмент; 2 - нарост; 3 - обрабатываемая поверхность; 4 — стружка; 5рез — угол резания; 5рез' - угол резания при образовавшемся наросте

Более подробно рассмотрим некоторые из перечисленных выше факторов, оказывающих наибольшее влияние на геометрическую точность

формы и параметры шероховатости поверхности в технологическом процессе изготовления детали «вал-шестерня» редуктора.

Как показали исследования [49, 63], на формирование шероховатости при механической обработке наибольшее влияние оказывает воздействие значения 5 подачи, геометрической формы углов и неровности режущей части инструмента. Так, за один оборот детали на величину подачи 5, мм/об совершается движение из положения А' ^ А (см. Рисунок 1.6, а), в результате которого инструмент оставляет на поверхности часть несрезанного металла в виде неровностей.

В результате, при уменьшении величины подачи происходит уменьшение высоты неровности (см. Рисунок 1.6, б). В свою очередь, изменение главного угла в плане р и вспомогательного р' влечет за собой изменения, как высоты, так и формы неровностей поверхности (см. Рисунок 1.6, в). Увеличение радиуса закругления резца при вершине от г1 до г2 (см. Рисунок 1.6, г, д) приводит к уменьшению высот расчетных неровностей.

V г

в) г)

д)

Рисунок 1.6 - Влияние геометрических углов режущего инструмента на

шероховатость поверхности Таким образом, из числа внешних геометрических факторов наибольшее влияние на шероховатость изготавливаемой поверхности при токарной обработке оказывает г радиус скругления при вершине резца.

На рисунке 1.7 показано влияние радиуса скругления на параметры шероховатости и Яа обработанной поверхности при различных подачах.

(17, мкм 1 /?п/ мкм

-а-г =0.5

О 0.1 02 аз он $ мм/об

Рисунок 1.7 - Влияние изменений радиуса при вершине резца и подач на шероховатость обработанной поверхности при обработке стали 40ХН резцом Т15К6 Из приведенных данных видно, что увеличение радиуса при вершине снижает показания шероховатости обработанной поверхности.

Проведенное сравнение экспериментальной и расчетной высот микронеровностей поверхности показало, что при точении стали 40ХН твердосплавным резцом Т15К6 с различными радиусами при вершине на подачах 5 = 0.08 - 0.15 мм/об с постоянными значениями V = 22 м/мин, р = р' = 45° , а = а' = 10°, t = 1 мм практически отсутствует разница между экспериментальной и расчетной высотами микронеровностей изготовленной поверхности (Рисунок 1.8). При обработке с подачами 5 = 0,2 - 0,3 - 0,4 мм/об фактическая высота неровностей значительно ниже расчетной, и чем больше подача и меньше радиус при вершине, тем больше разница между фактической и расчетной шероховатостью. При механической обработке с подачей 5 = 0,2 мм/об и радиусом г = 0,5 мм высота микронеровностей изготовленной поверхности по сравнению с расчетной ниже на 5 мкм, при точении с подачей 5 = 0,4 мм/об эта разница составляет 18,5 мкм. Меньшая высота микронеровностей полученной поверхности по сравнению с расчетной может быть объяснена боковым расширением стружки и срывом гребешков на поверхности. Расширению стружки может способствовать высокая пластичность металла [74].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Вьюшин Роман Вячеславович, 2017 год

/ / / /

Устойчиво / / /

/

С 1 [2 л С. л Неустойчиво

0,2

0,4

0,6 0,8 г, мм

1,2

1,4

Рисунок 4.1 - Граница области устойчивости при обработке стали 40ХН в продольном направлении, где: 1 - обработка в области переходного процесса; 2 - обработка диаметра

Рисунок 4.2 - Граница области устойчивости при обработке стали 40ХН при обработке торца, где: 1 - обработка в области переходного процесса; 2 - обработка торца

Анализ проведенного имитационного моделирования в программной среде N1 LabVIEW 2014 позволяет при последовательном решении систем дифференциальных уравнений (3.20) с учетом изменения значений коэффициентов, отражающих изменение характера обработки и изменение механических свойств с уровня 6'1{хп1^),1п1^),11,,]1 } на 62{ хп2^),2п(),12,,]2 }, по полученным расчетным осциллограммам оценить влияние заданной скорости перемещения инструмента в момент изменения направления обработки на динамическую стабильность технологической системы детали «вал-шестерня» редуктора.

Так, при механической обработке со снижением линейной скорости подачи перед изменением направления обработки до 55 мм/мин в точке С 2 наблюдается снижение колебательного процесса (Рисунок 4.2) по сравнению с обработкой в точке Сз (Рисунок 4.3) находящейся за границей области

устойчивости. В точке С1 зафиксирован стабильный процесс обработки (Рисунок 4.4).

Рисунок 4.3 - Расчетная осциллограмма виброускорения в точке Сг при механической обработке ступенчатых поверхностей при корректировке режимных параметров

Рисунок 4.4 - Расчетная осциллограмма виброускорения при механической обработке ступенчатых поверхностей за границей области устойчивости в точке С 3

60-

40- гд

1

]■ п

¡1 и т| 1 |||

-30- т

6 : 10 1 14 6 18 Ю 2 2 28 30 32 34 36 38 40 42 44 С, МС 4 4 50 5 & 56 58 &

Тл

Рисунок 4.5 - Расчетная осциллограмма виброускорения в точке С1 при механической

обработке ступенчатых поверхности

Проведенные экспериментальные исследования механической обработки стали 40ХН, с корректировкой скорости подачи на участке переходных режимов, с применением вибродиагностической установки «Prüftechnik MT GmbH», позволили выявить снижение интенсивности вибраций по сравнению с обычным процессом точения на 15—25%, что зафиксировано на рисунке 4.6.

Рисунок 4.6 - Доминирующие вибрации, разложенные на спектры при обработке стали 40ХН с коррекцией режимных параметров на переходном процессе

Алгоритмы корректировки параметров обработки на переходных процессках изготовления ступенчатых поверхностей целесообразно использовать на этапах чистового и тонкого точения, когда за один технологический переход необходимо добиться соответствия предъявленным повышенным требованим к геометрическим показателям точности формы и шероховатости поверхности как к обрабатываемому диаметру, так и к поверхности торца в процессе контурной обработки.

4.2 Экспериментальные исследования параметров шероховатости поверхности при изменяемых режимных параметрах в областях переходного процесса изготовления ступенчатых деталей

Для проведения экспериментального исследования, целью которого является оценка влияния переходных режимов при контурной обработке ступенчатых поверхностей на показатели шероховатости поверхности изготавливаемой детали «вал-шестерня» редуктора, производились измерения, как обычного процесса механической обработки, так и обработки с корректировкой режимных параметров в области переходного процесса.

С применением представленного на рисунке 4.7 профилометра модели «Surftest SJ-210» производства фирмы «Mitutoyo» (Япония) проводился комплекс экспериментов по измерению параметров шероховатости поверхности после механической обработки ступенчатой заготовки с заданными различными параметрами обработки. Измерение шероховатости поверхности осуществлялись в нескольких различных точках исследуемых обработанных поверхностей заготовки не менее пяти раз.

J

—I_

Щ_

Рисунок 4.7 - Профилометр модели «Surftest SJ-210»

Исследования параметров шероховатости обработанной поверхности производились на тестовых ступенчатых деталях с диаметрами от 2 5, 35 и 4 5 мм, изготовленных из стали 40ХН. Механическая обработка таких деталей проводилась по контуру с различными показателями снимаемого материала, другими словами имитировались этапы получистового, чистового и тонкого точения.

На основании рекомендаций то производителя инструмента по назначению режимныч параметров на технологических операциях точения, а также справочной литературы и паспортных значений оборудования, позволило принять следующие диапазоны значений для этапов механической обработки заготовки из стали 40ХН: К=150...430 м/мин; 5=0. 0 5... 0 .45 мм/ о б; 0 .1.0.9 мм. Параметры линейной скорости подач на участках переходных режимов при этом варьировались от 40 до 70 мм/мин, а

Л

ускорения от 0,1 до 0,5 м/с .

На этапе получистовой обработки эксперименты проводились с изменяемыми параметрами скорости резания, значениями глубины резания и подачи режущего инструмента. Измерения показаний профилометра проводились для обычного процесса с применение млинейных интерполяций по контуру с жестко заданными режимами и при корректировки режимных параметров на участках обработки ступеней. Шероховатость поверхности заготовки измерялась в диапазоне режимов обработки: К=150...230 м/мин; 5=0. 2 5. 0.45 мм/ о б; 0 . 5.0.9 мм.

Результаты эксперимента показали, что процесс контурной обработки заготовки с изменяемыми режимными параметрами на переходных процессах на этапе получистовой операции уменьшает величину микронеровностей по параметру шероховатости поверхности для стали 40ХН. Как следует из графиков на рисунке 4.8, 4.9 и 4.10, при стандартном процессе контурного точения наблюдается наоборот увеличение микронеровностей профиля обрабатываемого изделия в сравнении с процессом механической обработки, основанным на выборе устойчивых режимных параметров. Влияние корректирующих воздействий на этапе получистовой обработки сведены в таблицу в зависимости от изменяющихся скорости (4.1), подачи (4.2) и глубины резания (4.3).

Таблица 4.1 - Шероховатость поверхности при обработке с изменяемой

скоростью

№ Режимы получистового точения Среднее значение

шероховатости Яа,мкм

К,м/мин 5,мм/об с корректировкой без корректировки

1. 150 0.35 0.75 7.72 9.06

2. 170 0.35 0.75 5.38 8.12

3. 190 0.35 0.75 4.83 7.21

4. 210 0.35 0.75 4.47 6.82

5. 230 0.35 0.75 4.12 6.46

Таблица 4.2 - Шероховатость поверхности при обработке с изменяемой

подачей

№ Режимы получистового точения Среднее значение

шероховатости Яа,мкм

К,м/мин 5,мм/об с корректировкой без корректировки

1. 190 0.25 0.75 4.37 6.42

2. 190 0.3 0.75 4.77 6.81

3. 190 0.35 0.75 5.38 8.16

4. 190 0.4 0.75 6.72 9.54

5. 190 0.45 0.75 9.91 11.51

Таблица 4.3 - Шероховатость поверхности при обработке с изменяемой

глубиной

№ Режимы получистового точения Среднее значение

шероховатости Яа,мкм

V, м/ми н 5,мм/об ¿,мм с корректировкой без корректировки

1. 190 0.35 0.5 5.47 8.09

2. 190 0.35 0.6 6.32 8.74

3. 190 0.35 0.7 7.29 9.35

4. 190 0.35 0.8 8.31 10.21

5. 190 0.35 0.9 9.64 10.73

Рисунок 4.8 - Влияние корректирующей программы на шероховатость поверхности при получистовой обработке в зависимости от изменяющейся скорости резания

Рисунок 4.9 - Влияние корректирующей программы на шероховатость поверхности при получистовой обработке в зависимости от изменяющейся подачи

Рисунок 4.10 - Влияние корректирующей программы на шероховатость поверхности при получистовой обработке в зависимости от изменяющейся глубины резани

Второй этап эксперимента чистовой обработки базируется на аналогичных принципах, что и в первом случае. Для полноценного

экспериментального исследования, параметры скорости резания, подачи режущего инструмента и глубины срезаемого слоя изменяются в определенном диапазоне и инвариантных усредненных значениях остальных параметров. Величины микронеровностей поверхности обрабатываемой заготовки измерялись при режимах контурной токарной обработки на стадии чистового точения в диапазонах: V=250...330 м/мин; 5=0.1^0.3 мм/об; ¿=0.3...0.5 мм.

Результаты эксперимента второго этапа нацеленные на контурную обработку заготовки с изменяемыми режимными параметрами при чистовой операции, позволили зафиксировать снижение показателей параметра шероховатости поверхности. В сравнении со стандартным использованием линейных интерполяций, установлены отличные от метода механической обработки с изменяемыми режимными параметрами значения шероховатости, и обладают повышенными показателями (Рисунок 4.12, 4.13, 4.14).

Влияние корректирующих воздействий на этапе чистового точения сведены в таблицу в зависимости от изменяющейся скорости (4.4), подачи (4.5) и глубины резания (4.6).

Таблица 4.4 - Шероховатость поверхности при обработке с изменяемой скоростью

№ Режимы чистового точения Среднее значение шероховатости Да,мкм

^м/ми н 5,мм/об ¿,мм с корректировкой без корректировки

1. 250 0.2 0.4 1.26 2.14

2. 270 0.2 0.4 0.99 1.78

3. 290 0.2 0.4 0.87 1.48

4. 310 0.2 0.4 0.75 1.31

5. 330 0.2 0.4 0.68 1.22

Таблица 4.5 - Шероховатость поверхности при обработке с изменяемой

подачей

№ Режимы чистового точения Среднее значение

шероховатости R а,мкм

К, м/мин S, мм/о б t, мм с корректировкой без корректировки

1. 290 0.1 0.4 0.65 0.95

2. 290 0.15 0.4 0.81 1.55

3. 290 0.2 0.4 0.98 1.74

4. 290 0.25 0.4 1.67 2.54

5. 290 0.3 0.4 1.98 3.12

Таблица 4.6 - Шероховатость поверхности при обработке с изменяемой

глубиной

№ Режимы чистового точения Среднее значение

шероховатости ,мкм

К, м/мин 5, мм/о б t, мм с корректировкой без корректировки

1. 290 0.2 0.3 0.93 1.73

2. 290 0.2 0.35 1.31 1.89

3. 290 0.2 0.4 1.59 2.15

4. 290 0.2 0.45 1.66 2.47

5. 290 0.2 0.5 1.82 2.85

2,25 2

1,75 1,5 1,25

Ra, мкм i

0,75 0,5 0,25 0

230 250 270 290 310 330 350 V, м/мин

Рисунок 4.12 - Влияние корректирующей программы на шероховатость поверхности при получистовой обработке в зависимости от изменяющейся скорости резания

Рисунок 4.13 - Влияние корректирующей программы на шероховатость поверхности при получистовой обработке в зависимости от изменяющейся подачи

Рисунок 4.14 - Влияние корректирующей программы на шероховатость поверхности при получистовой обработке в зависимости от изменяющейся глубины резани

Третий и заключительный этап экспериментальных исследований рассматривает процесс тонкого точения с режимными параметрами обработки в диапазоне: К=350...43 0 м/мин ; 5=0 . О 5... О .1 5 мм/о б; 0 .1... О . 3 мм.

Результаты экспериментов третьего этапа позволили выявить аналогичную зависимость, что и на предыдущих этапах получистовой и чистовой операции при обработке заготовки с изменяемыми параметрами. В результате, метод корректировки скорости подачи снижает показатели шероховатости (Рисунок 4.15, 4.16, 4.17) по сравнению со стандартоной обработкой, показывающей повышение значений микронеровностей при аналогичных параметрах.

Влияние корректирующих воздействий на этапе тонкого точения сведены в таблицу в зависимости от изменяемой скорости (4.7), подачи (4.8) и глубины резания (4.9).

Таблица 4.7 - Шероховатость поверхности при обработке с изменяемой

скоростью

№ Режимы тонкого точения Среднее значение

шероховатости Я а,мкм

К, м/мин 5, мм/о б мм с корректировкой без корректировки

1. 350 0.12 0.2 0.71 1.09

2. 370 0.12 0.2 0.64 0.95

3. 390 0.12 0.2 0.48 0.83

4. 410 0.12 0.2 0.37 0.65

5. 430 0.12 0.2 0.31 0.52

Таблица 4.8 - Шероховатость поверхности при обработке с изменяемой

подачей

№ Режимы тонкого точения Среднее значение

шероховатости ,мкм

К, м/мин 5, мм/о б мм с корректировкой без корректировки

1. 390 0.05 0.2 0.21 0.59

2. 390 0.07 0.2 0.39 0.75

3. 390 0.1 0.2 0.46 0.89

4. 390 0.12 0.2 0.52 0.95

5. 390 0.15 0.2 0.91 1.62

Таблица 4.9 - Шероховатость поверхности при обработке с изменяемой

глубиной

№ Режимы тонкого точения Среднее значение

шероховатости ,мкм

К, м/мин 5, мм/о б мм с корректировкой без корректировки

1. 390 0.12 0.1 0.49 0.88

2. 390 0.12 0.15 0.52 0.90

3. 390 0.12 0.2 0.55 0.97

4. 390 0.12 0.25 0.97 1.35

5. 390 0.12 0.3 1.19 1.76

Рисунок 4.15 - Влияние корректирующей программы на шероховатость поверхности при получистовой обработке в зависимости от изменяющейся скорости резания

Рисунок 4.16 - Влияние корректирующей программы на шероховатость поверхности при получистовой обработке в зависимости от изменяющейся подачи

Рисунок 4.17 - Влияние корректирующей программы на шероховатость поверхности при получистовой обработке в зависимости от изменяющейся глубины резани

Анализ полученных графических зависимостей и проведенные экспериментальные исследования влияния дискретизации кадров

исполнительной программы ЧПУ на областях переходных режимов позволил выявить тенденцию к снижению показателей шероховатости поверхности по параметру Я а в 1.4.1.7 раза по сравнению с типовым процессом контурной обработки с применением линейных интерполяций в действующем технологическом процессе.

Для примера приведены профилограммы обработанной поверхности после стандартного процесса контурной механической обработки на рисунке 4.18 и при применении программы с коррекцией линейных скоростей подачи на участках переходных процессов на рисунке 4.19.

Еуа1иаНоп РгоН1е 6.0 1-

-6.0 - I

-8.0 1-

0;0 0;5 1,0 1,5 2,0 2,5 3;0 3,5 4;0

[тт]

Рисунок 4.18 - Профилограмма шероховатости поверхности торца после обычного точения

(Я а= 1. 2 мкм)

■3.0 -1-

0;0 0;5 10 1,5 2,0 2,5 3;0 3,5 4;0

[тт]

Рисунок 4.19 - Профилограмма шероховатости поверхности после обработки с корректировкой режимов (Я а=0 . 7 6 мкм)

4.3 Экспериментальные исследования точности формы детали «вал-шестерня» редуктора с использованием метода корректировки режимных параметров на участках переходных процессов

Эксплуатационные свойства детали «вал-шестерня» редуктора напрямую зависят от таких геометрических параметров как: точность формы обработанной поверхности; точности изготовленных поверхностей и их взаимного расположения друг относительно друга, погрешности в точности размеров. Формирующиеся погрешности и неточности формы в процессе механической обработки детали вал-шестерня вызваны низкой стойкостью режущей части инструмента по причине неравномерных нагрузок, деформациями и износом ответственных узлов станка, отклонениями, обусловленными деформациями заготовки и низкой жесткости закрепления.

Для выполнения эмпирических исследований влияния процесса механической обработки с применением метода корректировки режимных параметров и при стандартном точении на геометрическую точность формы применялся кругломер для оценки погрешности формы модели «MMQ 400 СЖ!» (Рисунок 4.20).

Измерения производились по следующим отклонениям формы изготавливаемой детали «вал-шестерня» редуктора, которые можно подразделить на три группы:

1) Снятие показаний отклонения от цилиндричности формы обработанных экспериментальных образцов быстроходных конических валов редуктора.

2) Снятие показаний отклонения от круглости формы экспериментальных образцов быстроходных конических валов редуктора в пяти сечениях.

3) Снятие показаний отклонения от прямолинейности формы экспериментальных образцов быстроходных конических валов редуктора по пяти профилям.

Рисунок 4.20 - Станция для измерения погрешности формы модели

«MMQ 400 СЖ!»

Первый эксперимент нацелен на проведение измерений по отклонению от цилиндричности формы для деталей «вал-шестерня», полученных путем механической обработки с применением метода корректировки режимных параметров и без него. Полученные данные измерений по отклонению погрешности формы от цилиндричности приведены в таблице 4.10. Визуализация измерений приведена на рисунке 4.21.

Таблица 4.10 - Отклонения от цилиндричности формы детали вал-шестерня

Вид обработки Отклонения в точности, мкм

С применением метода корректировки режимных параметров 32,768

Без применения метода корректировки режимных параметров 57,274

1) 2) Рисунок 4.21 - Отклонения от цилиндричности детали вал-шестерня: где 1 - механическая обработка с применением корректировки режимных параметров; 2 - без использования

корректировки при обычном точении

Результат эксперимента позволяет заключить, что механическая обработка ступенчатой детали с применением метода корректировки параметров линейных скоростей подач на участках переходных режимов снижает отклонения от цилиндричности, в сравнении со стандартным процессом лезвийной обработки.

Второй эксперимент нацелен на проведение измерений по отклонению от круглости для образцов ступенчатых валов с применением метода корректировки режимных параметров на этапе механической обработки и без его учета, т.е. при стандартном точении. Анализ результатов по круглости детали проведен в пяти сечениях. Полученные значения приведены в таблице 4.11. Визуализация процесса измерения погрешности от круглости формы показана в виде круглограмм на рисунке 4.22.

Результаты эксперимента, при точении ступенчатой детали с корректировкой режимных параметров на участках переходных процессов,

позволили на всем диапазоне проводимых измерений зафиксировать снижение отклонения от круглости формы вала-шестерни редуктора в сравнении с обработкой без изменяемых режимных параметров.

Таблица 4.11 - Отклонения от круглости формы детали вал-шестерня

Номер Отклонения в механической обработке, мкм

сечения

С применением метода Обычный процесс точения без

корректировки режимных применения метода корректировки

параметров на переходных режимных параметров на переходных

процессах процессах

1 12,76 19,31

2 8,53 11,45

3 5,71 13,63

4 26,96 37,67

5 11,21 24,53

(1)ЯоипсМ_Т

(2)Ноип<Г2~Г

(3)Р!оигк1_зЭ

(4)Яоипс1_4_Г

(5)Иоипс1_5_Г

0°

1) 2)

Рисунок 4.22 - Отклонения от круглости детали вал-шестерня, где: 1 -

механическая обработка с применением корректировки режимных параметров; 2 - без использования корректировки при обычном точении

В третьем эксперименте опроизводилось измерение отклонения от прямолинейности для детали «вал-шестерня» редуктора с применением метода корректировки режимных параметров на переходных учасках и без него. Измерения осуществлялись в пяти сечениях поверхности

изготовленной детали. Результаты сведены в таблицу 4.12. Визуализация измерительного процесса отклонения в прямолинейности формы детали «вал-шестерня» редуктора показана на рисунке 4.23.

Таблица 4.12 - Отклонения от прямолинейности формы детали вал-шестерня редуктора

Номер Отклонения в механической обработке, мкм

сечения С применением метода Обычный процесс точения без

корректировки режимных применения метода корректировки

параметров на переходных режимных параметров на переходных

процессах процессах

1 11,767 74,243

2 16,489 51,628

3 21,826 27,379

4 12,355 29,113

5 12,831 21,296

1) 2)

Рисунок 4.23 - Отклонения от прямолинейности детали вал-шестерня, где: 1 - механическая обработка с применением корректировки режимных параметров; 2 - без использования корректировки при обычном точении

Результаты экспериментального исследования, произведенного на всем диапазоне изготовленной поверхности детали вал-шестерня, позволили зафиксировать снижение величины отклонения от прямолинейности формы

рассматриваемого объекта, по сравнению со стандартным процессом контурной лезвийной обработки.

4.4 Выводы по четвертой главе

1. Проведенные экспериментальные и теоретические исследования влияния большей интерполяция кадров программы для точной корректировки режимных параметров обработки вблизи области переходного процесса, позволяют с полной уверенностью утверждать, что технологическая система механической обработки детали «вал-шестерня» редуктора изменяет свою устойчивость и условия перехода в автоколебательный процесс.

2. Проведенный комплекс сравнительных испытаний механической обработки детали «вал-шестерня» редуктора с использованием корректировки режимных параметров в области переходного процесса на всех этапах операции позволил установить снижение значений шероховатости поверхности по сравнению с аналогичным точением с интерполяцией только по контуру обрабатываемой поверхности.

3. Проведенные сравнительные испытания механической обработки детали «вал-шестерня» гидроцилиндра с использованием корректировки режимных параметров в области переходного процесса позволили установить снижение в отклонение от точности формы детали «вал-шестерня» редуктора по сравнению со стандартным точением.

4. Предложены рекомендации к технологическом процессу изготовления детали «вал-шестерня» редуктора, позволяющие добиться заданных показателей точности формы и шероховатости поверхности при механической обработке на станке с ЧПУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ современного состояния вопроса направленного на технологическое обеспечение параметров точности и шероховатости ступенчатых поверхностей деталей типа «тел вращения» (например, золотники, ступенчатые валы, конические валы), показал, что разработка и совершенствование новых технологических решений направленных на обеспечение заданных показателей точности и шероховатости поверхностного слоя детали на станках с ЧПУ является актуальной научной и народно-хозяйственной проблемой. Произведённый обзор научно-технической литературы по данному направлению в области технологии машиностроения, позволил сделать вывод, что недостаточно изучены и мало разработаны особенности технологического процесса изготовления ответственных поверхностей деталей с высокой концентрацией переходных процессов.

1. Исходя из поставленной задачи, установлены закономерности влияния фрикционных автоколебаний при перемещении суппорта по направляющим скольжения в условиях малоамплитудного трения, осуществляемого шаговыми двигателями, на участках переходных процессов на показатели шероховатости поверхности и точности формы при изготовлении ступенчатых поверхностей детали типа «тел вращения».

2. Разработана и обоснованна математическая модель технологической системы механической обработки с учетом дискретности перемещения инструмента на этапах переходных процессов для оценки динамической устойчивости системы в процессе изготовления ступенчатых поверхностей детали типа «тел вращения».

3. Имитационное моделирование динамических процессов технологической системы при изготовлении ответственных ступенчатых поверхностей детали типа «тел вращения» на этапах переходных процессов позволило выявить допустимые режимы и требуемую дискретность

обработки траектории перемещения инструмента для каждого из этапов переходных процессов в отдельности.

4. Выполнен комплекс экспериментальных исследований направленный на отработку технологического процесса изготовления ступенчатых деталей типа «тел вращения» в областях переходных процессов, с корректировкой режимных параметров обработки на участках изменения направления движения инструмента, позволивший зафиксировать вибродиагностическим оборудованием снижение интенсивности автоколебаний ТСМО на участках переходных процессов на 15...25 %, что обеспечило улучшение качества обработанной поверхности в 1,4.1,7 раз по параметру шероховатости по сравнению с типовым технологическим процессом.

5. Предложена технология изготовления прецизионных поверхностей ступенчатых деталей типа «тел вращения» с учетом функциональных зависимостей колебательных процессов ТСМО на переходных участках от процессов малоамплитудного трения в органах позиционирования инструмента токарного станка с ЧПУ, что позволяет обеспечить изготовление деталей по 8 квалитету точности (1Т 8) и соответствующую шероховатость поверхности Яа=0,32 мкм, заменить операцию шлифования и снизить себестоимость их выпуска.

6. По материалам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, из них 3 в журналах, всходящие в перечень ВАК Минобрнауки России.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Амосов, И.С. Точность, вибрации и чистота поверхности при токарной обработке / И.С. Амосов, В.А. Скраган. - Л.: Машгиз, 1953. - 67 с.

2. Армарего, И.Дж.А. Обработка металлов резанием / И.Дж.А. Армарего, Р.Х. Браун. - М.: Машиностроение, 1977. - 325 с.

3. Бабаков, И.М. Теория колебаний / И.М. Бабаков. - М.: Наука, 1968. - 559 с.

4. Бармин, Б.П. Вибрации и режимы резания / Б.П. Бармин. - М.: Машиностроение, 1979. - 72 с.

5. Билик, Ш.М. Пары трения металл-пластмасс в машинах и механизмах. -М.: Машиностроение, 1965.-311 с.

6. Благовский, О.В. Управление формированием остаточных напряжений в ответственных деталях при их изготовлении с использованием ультразвуковых колебаний / О.В. Благовский. - Дисс. канд. техн. наук -Ульяновск.: УГТУ, 2015. - 147 с.

7. Борцов, Ю.А. Тиристорные системы электропривода с упругими связями. / Ю.А. Борцов, Г.Г. Соколовский - Л.: Энергия, 1979. - 160с.

8. Бржозовский, Б.М. Динамический мониторинг технологического оборудования / Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов, И.Н. Янкин и др.; СГТУ -Саратов: издательство СГТУ, 2008. - 312 с.

9. Васильков, Д.В. Моделирование процесса стружкообразования на основе кусочно - линейной аппроксимации / Д.В. Васильков, В.Л. Вейц. // СПбИмаш - 1998. - №1. - С. 16 - 21.

10. Васин, С.А. Прогнозирование виброустойчивости инструмента при точении и фрезеровании / С.А. Васин. - М.: Машиностроение, 2006. -384 с.

11. Вейц, В.Л. Расчет механизмов подачи тяжелых станков на плавность и чувствительность перемещения // Станки и инструмент. - 1958. № 3. - С. 3-7.

12. Вейц, В.Л. Динамика и управление процессом стружкообразования при лезвийной механической обработке / В.Л. Вейц, В.В. Максаров. - СПб.: СЗПИ, 2000. - 160 с.

13. Вейц, В.Л. Повышение устойчивости технологической системы при управлении реологическими параметрами процесса стружкообразования / В.Л. Вейц, В.В. Максаров. // Машиностроение и ав-томатизация производства: Межвуз. сб. Вып. 16. - СПб.: СЗПИ, 1999. - С. 19 - 29.

14. Вибрации в технике: Справочник. В 6т. Т.2. Колебания нелинейных механических систем / Под ред. И.И. Блехмана — М.: Машиностроение, 1979. - 351 с.

15. Вульф, A.M. Резание металлов. - Изд. 2-е. Л.: Машиностроение, 1973.-496 с.

16. Вульфсон, И.И. О влиянии фазовых сдвигов на развитие квазилинейных фрикционных автоколебаний. - Вильнюс: Вибротехника, 1970. -С. 26- 31.

17. Ганзбург, Л.Б. Метод электроконтактного воздействия на труднообрабатываемый материал / Л.Б. Ганзбург, В.В. Максаров, Д.Ю. Тимофеев. // Машиностроение и автоматизация производства: Меж-вуз. сб. Вып. 11. - СПб.: СЗПИ, 1998.- С.92 - 97.

18. Ганзбург, Л.Б. Процесс точения при предварительном локальном воздействии на обрабатываемый материал / Л.Б. Ганзбург, В.В. Максаров, Д.Ю. Тимофеев. // Машиностроение и автоматизация производства: Межвуз. сб. - СПб.: СЗПИ, 1998. - №8 - С.87 - 94.

19. Глудкин, О.П. Всеобщее управление качеством. / Глудкин О.П., Горбунов Н.М., Гуров А.И., Зорин Ю.В.; Под ред. О.П. Глудкина. - М.: Радио и связь, 1999.-600с.

20. Дерягин, Б.В. Что такое трение. - М.: Изд-во АН СССР, 1963. - 230

с.

21. Дерягин Б.В. Теория скольжения твердых тел спериодическими остановками (фрикционные автоколебания 1-го рода) / Дерягин Б. В., Пуш

B.Э., Толстой Д.М.//Техническая физика, 1956, Т. 26, Вып. 6. - С. 1329-1342.

22. Дерягин Б.В. Поверхностные силы. / Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. М.:Наука, 1987.-399 с.

23. Дерягин Б.В. Теория фрикционных автоколебаний с периодическими остановками / Дерягин Б.В., Пуш В.Э., Толстой Д.М. // Труды III Всесоюзнойконференции по трению и износу машин, Т. 2. - М.: Изд-во АН СССР,1960.-С. 132-152.

24. Евгенев, Г.Б. Основы программирования обработки на станках с ЧПУ / Г.Б. Евгенев - М.: Машиностроение, 1983. - 304 с.

25. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. -Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1986

26. Жесткость, точность и вибрации при механической обработке / под ред. В.А. Скрагана. - М. - Л.: Машгиз, 1956. - 194 с.

27. Зарс, В.В. Вопросы самовозбуждения вибраций металлорежущих станков / В.В. Зарс. - Дис. докт. техн. наук - Л.: ЛПИ, 1972. - 238 с

28. Зорев Н.Н Вопросы механики процесса резания. М. Машгиз.,1957.

29. Ильницкий, И.И. Колебания в металлорежущих станках и пути их устранения / И.И. Ильницкий - М.: Машгиз, 1958. - 142 с.

20. Ишлинский А.Ю. и Крагельский И.В. О скачках при трении// Ж-л Техническая физика.- 1944. Т. 14. вып. 5-6. - С. 276-283.

31. Кайдановский Н.Л. Природа механических автоколебаний, возникающих при сухом трении // Техническая физика.- 1949. Т. 19. Вып. 9. -

C. 985-996.

32. Кайдановский Н.Л. Механические релаксационные колебания / Н.Л. Кайдановский, С.Э. Хайкин // Техническая физика. - 1933. Т.З. Вып.1. -С.91-109.

33. Каширин, А.И. Исследование вибраций при резании металлов / А.И. Каширин. - М. - Л.: АН СССР, 1944. - 232 с.

34. Кедров, С.С. Колебания металлорежущих станков / С.С. Кедров. -М.: Машиностроение, 1978. - 200 с.

35. Костерин Ю.И. Релаксационные колебания и природа изменения силы трения на фрикционном контакте / Труды III Всесоюзной конференции по трению и износу в машинах. - М.: Изд-во АН СССР, 1960, Т.2. - С.65-71.

36. Костерин Ю.И. Релаксационные колебания в упрушхсистемах трения / Ю.И. Костерин, И.В. Крагельский // Трение и износ в машинах. 1958, Вып.12. - С.119-143.

37. Костерин Ю.И. Причины захватывания и вибрации в автомобильном сцеплении / Ю.И. Костерин, И.В. Крагельский // Конструирование исследование и испытание автомобилей. Вып. 2. - М.: Машгиз, 1956. - С. 64-76.

39. Крагельский И.В. Влияние шероховатости поверхности на трение. -М.: Изд-во АН СССР, 1947. - 247 с.

40. Крагельский И.В. Коэффициенты трения. / И.В.Крагельский, И.Э.Виноградов - М.: Машгиз, 1962.-220 с.

41. Кудинов В.А. Динамика станков. - М.: Машиностроение, 1967. 359

с.

42. Кудинов В.А. Динамические характеристики процесса сухого трения / Сухое трение. - Рига: Изд-во АН Латв. ССР, 1961.-С. 37-41.

43. Кудинов, В.А. Схема стружкообразования (динамическая модель процесса резания) / В.А. Кудинов // Станки и инструмент - 1992. - № 10. - С. 14-17, № 11. - С. 26 - 29.

44. Ле Суань Ань. Автоколебания при трении // Машиноведение.- 1973. №2.- С. 20-25.

45. Ле Суань Ань. Механические релаксащюнные автоколебания // Механика твердого тела. - 1973. №2. - С. 47 - 50.

46. Ле Суань Ань. Экспериментальное исследование механических автоколебаний при трении // Механика твердого тела.- 1972. КА24. - С.32-38.

47. Леонидов П.В. Технологическое обеспечение шероховатости поверхности силовых гидроцилиндров судового оборудования на основе виброустойчивой инструментальной системы / П.В. Леонидов. - Дисс. канд. техн. наук - СПб.: СПГУ, 2016. - 175 с.

48. Лурье Б.Г. Коэффициенты трения материалов для направляющихстанков // Станки и инструмент.- 1959. КчЗ. - С. 17-19

49. Макаров, А.Д. Оптимизация процессов резания / А.Д. Макаров. -М.: Машиностроение, 1976. - 278 с.

50. Максаров, В.В. Анализ реологических уравнений для моделирования процесса резания / В.В. Максаров, Е.Б. Козлова. // Машиностроение и автоматизация производства: Межвуз. сб. - СПб.: СЗПИ, 1999. - №13 - С.47 - 51.

51. Максаров, В.В. Теория и методы моделирования и управления процессом стружкообразования при лезвийной механической обработке / В.В. Максаров. - Дисс. док. техн. наук - СПб.: ГТУ, 1999. - 340 с.

52. Максаров, В.В. Теория и практика моделирования и управления в области прогнозирования динамических свойств технологических систем / В.В. Максаров, Ю.Ольт // Металлообработка. - 2012. - № 2. - С.7 - 13.

53. Михайлов О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов: Учеб. для вузов. - М.: Машиностроение, 1990. -304 с.

54. Михайлов О.П. Динамика электромеханического привода металлорежущих станков. - М.: Машиностроение, 1989. 224 с.

55. Молодцов, В.В. Расчет и конструирование направляющих и приводов подачи станков с ЧПУ: учебное пособие. / В.В. Молодцов - М.: ИЦ ГОУ МГТУ «Станкин», 2006. - 184 с.

56. Мурашкин, Л.С. Исследования динамики процесса резания / Л.С. Мурашкин. - Дис. док. техн. наук - Л.: ЛПИ, 1958. - 348 с.

57. Мурашкин, С.Л. Колебания и устойчивость движения систем станков с нелинейными характеристиками процесса резания / С.Л. Мурашкин. - Дис. докт. техн. наук. - Л.: ЛПИ, 1980. - 548 с.

58. Огвоздин, В.Ю. Управление качеством. Основы теории и практики: Учеб. пособие.-М.: Дело и Сервис, 1999.- 160 с.

59. Орликов, М.Л. Динамика станков. - Киев: Выща шк., 1989.

60. Петрешин, Д.И. Технологическое обеспечение шероховатости обрабатываемых поверхностей деталей машин на основе адаптивного управления / Д.И. Петрешин - Дисс. канд. техн. наук - Брянск.: БГТУ, 2001.

- 167 с.

61. Подураев, В.Н. Автоматически регулируемые и комбинированные процессы резания / В.Н. Подураев - М.: Машиностроение, 1977. - 304 с.

62. Подураев, В.Н. Обработка резанием с вибрациями / В.Н. Подураев.

- М.: Машиностроение, 1970. - 351 с.

63. Подураев, В.Н. Резание труднообрабатываемых материалов / В.Н. Подураев. - М.: Высшая школа, 1974. - 587 с

64. Пуш, В.Э. Малые перемещения в станках. -М.: Машгиз, 1961.- 124

с.

65. Розенберг, А.М. Элементы теории процесса резания металлов / А.М. Розенберг, А.Н. Еремин - М. - Свердловск: Машгиз, 1956. - 319 с.

66. Справочник технолога-машиностроителя в 2х т., Т. 2 / Под ред. А.М. Дальского, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова и др., 5е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2001. - 905 с

67. Старков, В.К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве / В.К. Старков. - М.: Машиностроение, 1989. - 296 с.

68. Старков, В.К. Физика и оптимизация резания материалов / В.К. Старков - М.: Машиностроение, 2009. - 640 с.

69. Суслов, А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей / А.Г. Суслов. - М.: Машиностроение, 1987. -208 с.

70. Талантов, Н.В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента / Н.В. Талантов . - М.: Машиностроение, 1992. -240 с.

71. Ташлицкий, Н.И. Первичный источник энергии возбуж-дения автоколебаний при резании металлов / Н.И. Ташлицкий. // Вестник машиностроения. - 1960. - № 2.- С.45- 50.

72. Тлустый, И. Автоколебания в металлорежущих станках / И. Тлустый. // Пер. с чеш. - М.: Машгиз, 1956. - 395 с.

73. Точность механической обработки и пути ее повыше-ния / Под ред. А.П. Соколовского. - М. - Л.: Машгиз, 1951. - 560 с.

74. Трент, Е.М. Резание металлов / Е.М. Трент. Пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1980. - 263 с.

75. Тургель, Д.К. Горные машины и оборудование подземных разработок: Учеб. пособие / Д.К. Тургель. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2007. - 302 с.

76. Шведов, Н.Г. Автоматизация и управление процессом многолезвийной механической обработки на основе динамического моделирования технологической системы / Н.Г. Шведов. - Дисс. канд. техн. наук - СПб.: СЗТУ, 2008. - 154 с.

77. Эльясберг, М.Е. Автоколебания металлорежущих станков / М.Е. Эльясберг. // Теория и практика. - СПб.: Изд. ОКБС, 1993. - 180 с.

78. Эльясберг М.Е. Расчет механизмов подач металлорежущих станков на плавность и чувствительность перемещения// Стакни и инструмент.- 1951. №11-12.-С.1-7,С.6-9.

79. Эльясберг, М.Е. Повышение устойчивости автоколебательной системы при воздействии периодического изменения скорости резания / М.Е.

Эльясберг, М.Г. Биндер. // Станки и инструмент. - 1989. - №10. - С. 19 - 21; №11. - С. 6 - 8.

80. Эльясберг, М.Е. Упрощенная модель многоконтурной динамической системы для расчета станка на устойчивость при резании / М.Е. Эльясберг, В.А. Демченко. // Станки и инструмент, 1987. - №8 - С. 4 -7.

81. Altintas, Y. Chatter Stability of Metal Cutting and Grinding / Y. Altintas, M.Weck. // Annals of the CIRP 53, 2004. - №2. - P. 619 - 642.

82. Altintas, Y. Manufacturing Automation: Metal Cutting Mechanics, Machine Tool Vibrations, and CNC Design / Y. Altintas. - New York: Cambridge University Press, 2000. - Vol. 286.

83. Bhattacharyya A. Metal Cutting theory and practice / A. Bhattacharyya. New Central Book Agency, 1996. - P.

84. Chen, S.G. Computational Stability Analysis of Chatter in Turning / S.G. Chen, A.G. Ulsoy, Y. Koren. // Journal of Manufacturing Science and Engineering, Research Paper, 1997. - № 4A. - P. 457 - 460.

85. Chockalingam, P. Surface Roughness and Tool Wear Study on Milling of AISI 304 Stainless Steel Using Different Cooling Conditions / P. Chockalingam, Lee Hong Wee. // International Journal of Engineering and Technology, - 2012. - Vol.2. - № 8. - P. 1386 - 1391.

86. Daisuke, M. Vibration suppressing cutting tool. United State Patent. № 7591209 B2, Int. Cl. B23B 27/00. Pub. Date: Sep. 22. 2009.

87. Danek, O. Selbsterregte schwingungen an werkzeugmaschinen / O. Danek, M. Polacek, L. Spacek, J. Tlusty. - Berlin: Verlag Technik, 2000. - Vol. 431.

88. Doi, S. On the chatter vibrations of lathe tools / S. Doi, S. Kato. // Transactions of ASME, 1956. - Vol. 78. - P. 1127-1134.

89. Fitzpatrick, M. Machining and CNC Technology / M. Fitzpatrick. -New York: The McGraw-Hill Companies, 2014. - P. 856.

90. Hoffman, P.J. Precision Machining Technology / P.J. Hoffman, E.S. Hopewell. - New York: Delmar, 2012. - P. 770.

91. Lopez de Lacalle, L.N. Machine tools for high performance machining / L.N. Lopez de Lacalle, A. Lamikiz. - London: Springer-Verlag, 2009. - P. 456.

92. Maekawa, K. Finite element simulation of three-dimensional continuous chip formation processes / K. Maekawa, T. Kitagawa, T. Shirakashi, T. Childs. // ASPE Annual Meeting, Seattle, 1993. - P. 519-522.

93. Ramaraj, T.C. Tool Fracture at the End of a Cut / T.C. Ramaraj, S. Santhanam, M.C. Shaw. // Journal of Engineering for Industry. - 1988. - №4. -P. 333-338.

94. Ravindra, H.V. Modelling of tool wear based on cutting forces in turning / H.V. Ravindra, Y. G. Srinivasa, R. Krishnamurthy. - 1993 P. 25-32.

95. Tobias, S. Schwingungen an Werkzeugmaschinen / S.A. Tobias. -München: Carl-Hanser-Verlag, 1961. - vol. 322.

96. Trent, E.M. Metal Cutting / E.M. Trent, P.K. Wright. - Boston: Butterworth-Heinemann, 2000. - P. 464.

97. Wu, D.W. Comprehensive dynamic cutting force model and its application to wave-removing processes / D.W. Wu. // Journal of Engineering for Industry, 1989. - № 2. - P.153 - 161.

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Технические характеристики приборов

Таблица ПА1 - Технические характеристики прибора «Surftest»

(Япония)

Модель 5/ -2 1 0 Р

№ 17 8 Ш 93 0- 2 D

Назначение Измерение шероховатости поверхностей

Диапазон измерений

По оси Z 3 5 0 мкм

По оси X 12 , 5 мм

Блок привода

Скорость измерения 0 , 2 5 мм/сек; 0, 5 мм/ сек

Скорость возврата 0 , 8 мм/сек

Длина кабеля 1 м

Масса 19 0 г

Датчик

Тип Стандартный (178 — 395)

Метод измерений Индуктивный метод

Диапазон измерений 3 5 0 мкм

Щуп Алмазный наконечник

Радиус 2 мкм

Радиус опоры 4 0 мм

Измерительное усилие 0 ,7 5 мН

Масса 18 г

Дисплейный блок

Профили Исходный профиль ( Р ) , Профиль шероховатости ( R ) , DIN 4776

Параметры R a, Ry, R z, R t, R р , Sm, 5, Р с, R 3z, mr, А1, А 2 , R q , R к, R р к , R v /с, Mr 1, Mr 2 , К о

Аналитические графики -

Стандарты шероховатости DIN,ISO,ANSI,JIS

Длина оценки (I ) 0, 2 5 мм, 0, 8 мм, 2 , 5 мм

Отсечка шага 1 с : 0, 2 5 мм, 0 , 8 мм, 2 , 5 мм

1 s : 2 , 5 мкм, 8 мкм

Число базовых длин X 1, X 3, X 5 , X L

2 CR-7 5 % , 2 CR-7 5 %

Фильтр (фазокорректированный фильтр), Гауссов фильтр

Вертикальное увеличение изображения на дисплее -

Горизонтальное увеличение изображения на дисплее -

Диапазон отображаемых величин Я а, Я ц : 0, 01 мкм — 1 0 0 мкм ; Я у, Я г, Я г, Я 3г, Я V к, Я р к, Я к , Я р : 0, 0 2 мкм — 3 5 0 мкм ; Ко : 0,00 — 1 0,00 (мм 3/ см 2) ; 5,5т : 2 мк — 400 0мкм ; Р с : 2 , 5 / см — 5 0 /см ; Мг 1, Мг 2 : 0 — 10 0 % ; тг : 1 — 10 0 %%

Принтер Дополнительное оборудование

Статистика -

Оценка допусков Значения верхнего / нижнего пределов

Сохранение настроек измерения -

Спящий режим (выключение) Автоматически после 30 секунд бездействия

Калибровка Автоматическая калибровка Ввод значений и измерение эталона шероховатости

Источник питания Сетевой адаптер А С ( /) С 7, 5 В 1, 5 В т) или встроенный заряжаемый аккумулятор

Аккумулятор Время зарядки: 1 2 часов (на 5 0 0 измерений)

Ввод / вывод данных Я5 — 2 32 С интерфейс для ввода / вывода, DЮIMATIC выход

Масса 29 0 г

Таблица ПА2 - Технические характеристики прибора «MMQ 400 CNC»

(Германия)