Повышение точности и производительности операции круглого шлифования деталей с прерывистыми поверхностями на основе применения управляющих приборов

Актуальность исследования. Высокое качество машин, приборов и других изделий обеспечивается в технологическом процессе их производства, технической основой которого являются металлообрабатывающие станки, режущий инструмент и средства измерений. В условиях современной рыночной экономики от машиностроительного производства требуется частое обновление выпускаемой продукции. Обеспечение этих требований к изготовлению изделий машиностроения достигается в условиях серийного и единичного производства.

На приборостроительных и машиностроительных предприятиях развито ИП, являющееся основой обеспечения точности и производительности изготовления деталей в технологическом процессе. ИП характеризуется единичностью, серийностью, а также высокими требованиями к точности изготовляемых изделий (сверл, зенкеров, разверток, фрез, протяжек, зубонарезного и резьбооб-разующего инструментов, инструментов для станков с ЧПУ, деталей прецизионной технологической оснастки и большого многообразия калибров для контроля линейных размеров изделий) с минимальными допусками на диаметр 1,0.5 мкм [2, 3,4, 5, 6].

От 30% до 80% общих затрат труда составляют операции выполняемые в технологическом процессе на многочисленные измерения линейных размеров высокоточных деталей ИП, осуществляющих в большинстве случаев вручную, как в процессе обработки на металлорежущих станках, так и на операциях послеоперационного контроля [7].

Как известно из научных трудов (Моргунова А.П., Масягина В. Б., Волосова С. С., Бурдуна Г. Д., Педя Е. И., Высоцкого A.B., Соболева М. П., Этингофа М. И., Кондашевского В. В., Балакшина Б. С., Телешевского В. И., Леуна В. И., Глухова В. И., Ломова С. М., Маркова Б. Н., Марковой H.H., Иванова В. А., Федотова A.B. и др.), наиболее эффективно можно повысить точность и производительность изготовления деталей ИП с использованием управляющих приборов в крупносерийном и массовом производствах [8]. Для единичного и серийного инструментального производства ведутся работы в различных организациях России и за рубежом по созданию управляющих приборов для шлифовальных операций. Управляющие приборы при шлифовании для деталей с прерывистыми поверхностями разработаны и широко используются в производстве [9, 10, 52].

Однако для операции круглого шлифования в настоящее время отсутствуют УП, удовлетворяющие техническим требованиям инструментальных производств. Ограничен диапазон абсолютных измерений УП (80 мкм при цене деления 1,0 мкм- 0,4 мм — при цене деления 5 мкм без переналадки) [10], значительное время (5 и более минут) затрачивается на его переналадку на другой размер, наличие динамической погрешности измерения от 5 до 10 мкм (при одноконтактном измерении) при переходе наконечника с гладкой на прерывистую поверхность (и наоборот), полное измерительное усилие контактного устройства при контроле достигает 1,0.4,0 Н и более, недостаточная точность обработки деталей на станках при использовании двухконтактного средства измерения — 6.8 мкм, а при одноконтактном — 9. 12 мкм [11, стр. 72−73].

Основой для создания отечественных управляющих приборов послужили исследования и конструкторско-технологические работы, ранее выполненные учеными, инженерами и аспирантами во ВНИИ измерений, в Московском станкоинструментальном, Санкт-Петербургском и Омском политехнических институтах, МВТУ им. Баумана, Тольятинском политехническом институте и Волжском автомобильном заводе, в Особом конструкторском бюро (г. Москва), НПО «Прибор» (г. Апрелевка), АНИТИМ (г. Рубцовск), Челябинском инструментальном заводе, Пензенском филиале ВНИТИ приборостроения, заводе «Калибр», Горьковском и Московском автомобильных заводах, некоторые из них переименованы или обанкротились. Использован и зарубежный опыт Итальянской фирмы МагроэБ в создании управляющих приборов.

В настоящее время решением проблемы автоматизации измерения во время обработки на финишных операциях занимаются в России ОАО «НИИизмере-ния», ОАО «РОБОКОН», на Челябинском инструментальном заводе (ОАО «ЧИЗ»), кафедра «Метрология и приборостроение» Омского государственного технического университета и в других организациях.

На основе анализа опубликованных материалов по созданию управляющих приборов для круглошлифовальных станков, используемых широко в настоящее время в машиностроении, исследований аналогичных приборов на кафедре «Метрология и приборостроение» ОмГТУ, обследование ряда инструментальных заводов и инструментальных производств при машиностроительных предприятиях (ПО «Полет», ОМО им. П. И. Баранова, Омское машиностроительное КБ, ОАО Омский Агрегатный завод г. Омск, АЗ «УРАЛ» г. Миасс, ОАО УМЗ г. Ульяновск, ОАО «КАМАЗ» г. Набережные Челны, ОАО АвтоВАЗ г. Тольятти, ОАО Уралмашзавод г. Екатеринбург и др.) сделан вывод о необходимости дальнейшего развития управляющих приборов для операций круглого шлифования, которые должны удовлетворять требованиям инструментальных производств.

В 2009 г. проект по разработке управляющего прибора получил финансирование Фонда содействия развитию малого предпринимательства в научно-технической сфере по программе У.М.Н.И.К. (Приложение И), в 2010 году проект получил грант по программе СТАРТ и было организовано малое предприятие по 217 ФЗ — ООО «Политех-Прибор» для коммерциализации полученных результатов (Приложение П).

На основе вышеизложенного и активной позиции ведущих специалистов-инструментальщиков, сформированная автором тема диссертационной работы «Повышение точности и производительности операции круглого шлифования деталей с прерывистыми поверхностями на основе применения управляющих приборов» актуальна для прецизионного машиностроения и инструментальных производств.

Объект исследования: управляющие приборы контроля геометрических параметров при круглом шлифовании, круглошлифовальные станки, упругая деформация деталей с прерывистыми поверхностями, контактные напряжения от полного измерительного усилия.

Целью работы является повышение точности и производительности операции круглого шлифования деталей с прерывистыми поверхностями на основе применения управляющих приборов в инструментальном производстве новых принципов построения и совершенствования механизмов базирования изделий на станке.

Задачи работы. Для достижения указанных целей необходимо было решить следующие задачи: повысить точность обработки изделий на круглошлифовальных станках за счет компенсации основных составляющих первичных погрешностей технологической системы;

2. повысить производительность за счет сокращения промежуточных измерений посредством использования управляющих приборов с учетом особенностей инструментального производства;

3. определить размер упругой деформации обрабатываемых деталей в процессе шлифования и ее влияние на погрешность измерения одноконтактным методом;

4. разработать алгоритм, программу и средство управления работой первичного преобразователя с целью уменьшения погрешности измерения;

5.разработать и исследовать новые принципы построения первичных преобразователей, обеспечивающие измерения линейных размеров деталей (режущего инструмента) с прерывистой поверхностью с малым измерительным усилием и минимальной погрешностью измерения при переходе наконечника с гладкой поверхностью на прерывистую и наоборот;

6. разработать и исследовать схемы измерения измерительного устройства управляющего прибора к круглошлифовальным станкам;

7. повысить точность позиционирования изделий на круглошлифовальном станке с цилиндрической пинолью задней бабки;

8. провести исследования работы первичного преобразователя;

9. автоматизировать существующий высокоточный, но низкопроизводительный метод пробных проходов и промеров с целью повышения его производительности.

Методы исследований. В работе использовались основные положения теории методов измерения, теории погрешностей средств измерения, теории упругости, теории трения и изнашивания, основ технологии машиностроения, материаловедения, основ проектирования приборов и систем, основ взаимозаменяемости, основ точности металлорежущих станков и инструментов, государственных стандартов Российской Федерации в области режущего инструмента и теории точности. Экспериментальные исследования проводились на поверенных и аттестованных измерительных приборах и оборудовании. Виртуальное математическое моделирование проводилось в специализированных САПР программах.

Научная новизна [12, 13] работы заключается в следующем:

— Разработан высокоточный метод технологии обработки и измерений изделий на круглошлифовальных станках с управляющими приборами, обеспечивающий изготовление изделий с суммарной погрешностью в пределах 1 — 2 мкм за счет компенсации первичных погрешностей обработки.

По данному методу производится автоматический кратковременный (на 2 — 5 с) отвод шлифовального круга для обеспечения точности измерения геометрических параметров при отсутствии упругой деформации и вибрации обрабатываемой детали и элементов станка.

Этот метод обеспечивает одновременно и увеличение производительности технологии изготовления изделий (в 1,5 — 2 раза) за счет автоматизации измерения в процессе обработки управляющим прибором;

— Разработан алгоритм автоматизации измерения геометрических размеров изделий одноконтактным управляющим прибором к круглошлифовальным станкам;

— Разработаны и исследованы новые принципы построения и конструктивного исполнения первичных преобразователей к управляющим приборам, позволяющие свести к минимуму разность статической и динамической суммарной погрешности измерения, заключающиеся в отсутствии упругих элементов, малой подвижной массой измерительного стержня (5−10 г), соблюдением принципа Аббе, наличием фрикционного элемента и импульсным управлением перемещением измерительного стержня (патент на изобретение № 2 316 420 от 10.02.2008 г. [39]);

— Предложена впервые новая схема измерения размеров изделий на круг-лошлифовальных станках, заключающиеся в том, что измерительная линия одноконтактного управляющего прибора проходит через оси контролируемой детали и шлифовального круга, что позволяет расширить его функциональные возможности для измерения изделий диаметром менее 3 мм (от 0,5 мм и более).

Практическая ценность работы определяется тем, что она является научной основой для проектирования приборов управляющего контроля диаметра наружных цилиндрических прерывистых поверхностей (менее 10 мм) и позволяет автоматизировать технологический процесс круглошлифования, повысить точность обрабатываемых изделий и производительность обработки в 1,5−2 раза.

На основе предложенных метода и способов, а также изготовленному опытному образцу управляющего прибора, апробация которого проводилась на круглошлифовальном станке, был получен значительный экономический эффект на производстве (Приложение С).

Достоверность результатов работы обоснована тем, что теоретические исследования были экспериментально проверены в лабораторных и производственных условиях (предприятия) при использовании аттестованной метрологической аппаратуры, в использовании проверенной на практике теории упругости, теории точности, теории методов измерения, теории погрешностей средств измерения.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод повышения точности обработки изделий на круглошлифовальных станках с управляющими приборами;

2. Алгоритм, программа и средство для одноконтактных управляющих приборов;

3.Новые принципы построения управляющих приборов к шлифовальным станкам;

4. Способы уменьшения погрешностей изготовления изделий на круглошлифовальных станках;

5. Теоретические и экспериментальные исследования технических характеристик первичного преобразователя;

6. Методика определения влияния сил резания на погрешность измерения деталей в процессе обработки на круглошлифовальных станках.

Личный вклад автора. Научные результаты, выносимые на защиту, получены непосредственно автором. Автором лично выполнен анализ точностных характеристик современных круглошлифовальных станков и существующих управляющих приборов к нимопределены составляющие суммарной погрешности при обработке изделий на круглошлифовальных станкахразработан, спроектирован и изготовлен управляющий прибор на основе новых принципов построенияпредложены математические модели определения влияния сил резания на погрешность обработкиразработана программа для микропроцессорного блока управления и проведены экспериментальные работы по определению достоверности теоретических расчетов.

В соавторстве разработана принципиальная схема управляющего прибора, составлены методики проведения экспериментальных исследований.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в среде научной общественности России на научно-технических и международных конференциях, форумах, выставках, конкурсах: I и II Всероссийская научно-техническая конференция «Россия молодая: передовые технологии — в промышленность» г. Омск, I Форум молодых ученых Сибирского федерального округа «Треугольник знаний» — образование, наука и инновации" г. Томск, Всероссийский форум «Селигер-2009» и «Селигер-2010» (Приложение К), форуме Союза машиностроителей России Тверская обл., Сибирский международный форум «Интерра-09» г. Новосибирск, результаты работы демонстрировались на выставках «ПРОМТЕХЭКСГО-2009», «ВТТВ-2009, 2011», Международном экономическом форуме-2010 «Человеческий капитал — ключевой ресурс модернизации Российской экономики», «Инновации года — 2010» г. Омск (Приложение Л), в 100 лучших проектах России «Зворыкинского проекта» в 2009 г. на портале http://zv.innovaterussia.ru, участник «Конкурса русских инноваций» www.inno.ru, конкурса ?5 www.iiiii.ru, где получил положительную оценку, а также докладывались и обсуждались в Омском машиностроительном конструкторском бюро (г.Омск, апрель 2009 г.), Агрегатном заводе (г. Омск, ноябрь 2009 г.), Авиастроительном заводе им. Чкалова (г. Новосибирск, сентябрь 2009 г.) среди ведущих специалистов предприятия и ОмГТУ где получил положительные отзывы и одобрения. В 2011 году прошел экспертизу в Летней Школе Академпарка г. Новосибирск, где получил диплом как «Лучший иногородний проект» (Приложение М), полуфиналист конкурса на Зворыкинскую премию 18−20 ноября 2011 г. (г. Москва) (Приложение Н).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 научных работ, в том числе 5 работы в изданиях, рекомендуемых ВАК для публикации результатов кандидатских и докторских диссертацийдва патента на изобретения: № 2 316 420 «Устройство для активного контроля линейных размеров изделий» от 10.02.2008 г. и № 2 397 061 «Устройство для активного контроля среднего диаметра резьбы деталей на резьбошлифовальном станке» от 20.08.2010 г., работает сайт в интернете www.innovatedevice.ru созданный автором. Работа соискателя отражалась в журналах и телевидении.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 72 наименования, и 16 приложений, включающих результаты экспериментальных исследований, электронные схемы, программу, патенты, акты внедрения в учебный процесс и промышленные производства, дипломы и сертификаты. Основной текст изложен на 103 машинописных страницах, включая 3 таблицы, 49 рисунков и фотографий. В конце глав имеются выводы, а в конце работы — заключение. Общий объем диссертации 176 страниц.

8. Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Метрология и приборостроение» Омского государственного технического университета, г. Омск и на производстве в ЗАО «Омский завод специальных изделий», ООО «Агрозапчасть», ООО «Политрейд», г. Омск, что подтверждается актами о внедрении. Суммарный экономический эффект от внедрения результатов работы на вышеперечисленные производственные предприятия составляет 52 180 160 (пятьдесят два миллиона сто восемьдесят тысяч сто шестьдесят) рублей в ценах 2007;2012 года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Современные круглошлифовальные станки обеспечивают точность обработки деталей в пределах 1−2 мкм, за счет низкопроизводительного метода пробных проходов и промеров. Управляющие приборы, обеспечивающие повышение точности и производительности технологии изготовления изделий в машиностроении не могут использоваться для изделий инструментального производства, так как не отвечают его требованиям по сложившимся принципам их построения и техническим характеристикам;

2. Разработана высокоточная методика обработки и измерений изделий с управляющим прибором на круглошлифовальных операциях, которая позволяет повысить точность измерения размерных параметров в пределах 1 — 2 мкм и одновременно увеличить производительность технологии изготовления изделий в 1,5−2 раза;

3. Разработан алгоритм, программа и средство управления работой первичного преобразователя обеспечивающие уменьшение погрешности измерения в 4 — 5 раз;

4. Установлено, что упругая деформация обрабатываемых деталей диаметром от 3 до 10 мм в процессе шлифования составляет от 1 до 150 мкм в зависимости от режима обработки. Это существенно влияет на погрешность измерения одноконтактным методом;

5. Исследованы новые принципы построения первичных преобразователей, обеспечивающие измерения линейных размеров деталей (режущего инструмента) с прерывистой поверхностью с малым измерительным усилием и минимальной погрешностью измерения при переходе наконечника с гладкой поверхностью на прерывистую и наоборот;

6. Впервые предложена схема измерения размеров изделий на круглошлифовальных станках, заключающиеся в том, что измерительная линия одноконтактного управляющего прибора проходит через оси контролируемой детали и шлифовального круга, что позволяет расширить его функциональные возможности для измерения изделий диаметром менее 3 мм (от 0,5 мм и более);

7. Разработаны способы повышения точности позиционирования изделий на круглошлифовальном станке с цилиндрической пинолью задней бабки, заключающиеся в минимизации зазоров в пиноли, замене сил трения скольжения на силы трения качения между поводком и хомутиком для исключения вибрации длинных деталей, расположении управляющего прибора на станке, уменьшении динамических погрешностей измерения;