Повышение точности и производительности проходного бесцентрового шлифования за счет управления процессом формообразования

В «Основных задачах экономического и социального развития страны на 1981;1985годы и на период до 1990 года» .поставленных на ХХУ1 съезде КПСС"указано, что повышение технического уровня и качества продукции на основе интенсификации и высокой эффективности производства является важнейшей задачей машиностроения.

В материалах ХХУ1 съезда КПСС, относящихся к развитию науки и ускорению технического прогресса, отмечается, что на основе использования достижений науки и техники необходимо развивать производство и обеспечить широкое применение встроенных систем автоматического управления с использованием микропроцессоров и микро — ЭВМ, широко применять при создании новых машин и оборудования модульный принцип с использованием унифицированных узлов и агрегатов.

На последующих пленумах ЦК КПСС и в постановлениях Совета Министров СССР уделялось особое внимание дальнейшему развитию машиностроения и, в частности, станкостроения. В постановлении М45 от 18 февраля 1980 г. «0 значительном повышении технического уровня и конкурентоспособности металлообрабатывающего, литейного и деревообрабатывающего оборудования и инструмента» «подчеркивается необходимость повышения к 1986 году по сравнению с уровнем, достигнутым в 10-ой пятилетке, производительности металлорежущих станков в 1,5−1,6 раза-повышение точности обработки на металлорежущих станках в 1,2−1,3 раза, а также повышение, надежности и долговечности в эксплуатации выпускаемых металлорежущих станков. в 1,4−1,6 раза.

В целях успешного решения поставленных ХХУ1 съездом партии, ноябрьским (1982г.), июньским (1983г.) и февральским (1984г.) Пленумами ЦК КПСС задач по повышению эффективности общественного производства и переводу экономики страны на путь интенсивногоразвития ЦК КПСС и Совет Министров СССР приняли постановление от 18 августа 1983 г. ]Ш14 «О мерах по ускорению научно-технического прогресса в народном хозяйстве» .

Б указанном постановлении отмечается, что одним из главных направлений работы по ускорению научно-технического прогресса является широкая автоматизация технологических процессов на основе применения автоматизированных станков, машин и механизмов, унифицированных модулей оборудования, робототехнических комплексов и вычислительной техники.

Требования к точности и производительности изготовления деталей машин постоянно растут. Б частности, это относится и к деталям типа тел вращения (кольца подшипников, поршневые пальцы), основной объем которых в автотракторной промышленности изготавливается на автоматических линиях. Одной из главных операций при этом является обработка наружной цилиндрической поверхности на бесцентровошлифовальных проходных станках с широкими кругами. К точности размеров и формы обрабатываемых деталей здесь предъявляются очень высокие требования. Допуски на отклонения от круг-лости поперечного сечения и отклонения от прямолинейности профиля продольного сечения нормируется в пределах 0,3.О, 5 мкм. Решение задач, связанных с обеспечением таких высоких требований по точности и повышением при этом производительности обработки, требует дополнительных научно-исследовательских, технологических и конструкторских разработок. Б связи с этим предлагаемая диссертационная работа, посвященная развитию теоретических и экспериментальных исследований, позволяющих определить основные закономерности процесса формообразования при проходном бесцентровом шлифованиивлиянию технологических факторов и возмущающих воздействий на вид и величину образующихся погрешностейсозданию системы управления точностью обработки и решению при этом вопросов повышения производительности, является актуальной.

Работа выполнена в соответствии с программой ПШТ при Совете Министров СССР по решению в 1981;1985 гг. научно-технической проблемы 0.16.05 «Создать и освоить в производстве высокопроизводительное металлорежущее оборудование, в том числе с числовым программным управлением, а также комплексы из металлорежущих станков и автоматических линий с применением автоматических манипуляторов с программным управлением и средств вычислительной и электронной техники для управления работой оборудования с целью повышения производительности труда при обработке деталей машин в 1,5−5 раз» .I.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯIЛ. Анализ существующих представлений о механизме образования погрешностей формыНесмотря на многолетнюю, свыше пятидесяти лет, эксплуатацию бесцентровошлифовальных станков, уровень точности получаемых размеров и формы поперечного и продольного сечений обрабатываемых деталей изменился незначительно. Это не значит, что процесс обработки не совершенствовался, но прогресс, в основном, шел за счет повышения производительности. Если в конце 40-хв начале 50-х годов получали разброс размеров по диаметру до 0,005 мм, по отклонениям от круглости и прямолинейности образующей 0,002.0,003 мм за 5−6 проходов, то в настоящее время такой уровень точности достигается не более чем за 2 прохода. Достигнуто это в основном за счет серьезной работы многих организаций, инженеров и исследователей над усовершенствованием конструкции станка, улучшением технологии изготовления и сборки отдельных деталей и узлов. Принятию конструктивных решений предшествовали многочисленные работы советских и зарубежных авторов по изучению и исследованию механики процесса проходного бесцентрового шлифования, механизма образования погрешностей формы поперечного и продольного сечений обрабатываемых деталей.

Первоначальным условием нормального протекания процесса проходного бесцентрового шлифования является правильная геометрическая наладка станка, рассчитанная из условий жесткости, габаритов и точности заготовки, а также заданной точности размеров и формы обработанного изделия.

Одной из первых фундаментальных работ по анализу процесса проходного бесцентрового шлифования явилась монография Слонимского В. И. /70/.В ней подробно описывается сущность и особенностипроцесса. Отмечается, что процесс бесцентрового шлифования характеризуется отсуствием жесткой кинематической связи детали с элементами рабочей схемы, в результате чего деталь располагает большим числом степеней свободы. При снятии припуска деталь, вращаясь, опускается и перемещается к ведущему кругу, при этом продолжая свое продольное движение вдоль оси шлифовального круга. Такое поведение детали приводит к тому, что точность взаимного расположения поверхностей после обработки может оказаться даже более низкой, чем на заготовке. Может возрасти неперпендикулярность цилиндрической поверхности к торцам, возрасти радиальное биение наружной и внутренней поверхностей, при этом радиальное биение переменно по длине детали.

В качестве погрешностей, органически присущих проходному бесцентровому шлифованию, автор называет конусообразность и овальность, огранку, выпуклость, вогнутость. В работе даются рекомендации по устранению каждой из перечисленных погрешностей обработки. При этом основными методами улучшения работы станка являются, как справедливо подчеркивает автор, корректировка параметров наладки (в частности, увеличение высоты установки оси детали над линией центров кругов и соответствующее профилирование ведущего круга) и уменьшение величины припуска, снимаемого за проход.

Исследованию влияния некоторых факторов на точность проходного бесцентрового шлифования посвящена работа Болдина Л.А./12/• Интересные данные приводятся по анализу зон резания на шлифовальном круге и перераспределению их в процессе износа и осыпания крута. Установлено, что режущая зона образуется сразу полной высоты «Ь и прогрессирует лишь по ширине крута, пока неосыпавшейся останется лишь полоска В^ около 5 мм (рис. 1 Л). Цилиндрическая полоска, ширина которой в процессе резания убывает, не осыпается, т.к. диаметры деталей при ширине В^ и Ъ-^ получались одинаковыми.

Если в работе Слонимского В. И. /707 в качестве погрешности формы поперечного сечения называется только овальность, т. е. 2-х вершинная огранка, то Болдин Л. А. уже отмечает 3-х и 5-ти вершинные огранки и подчеркивает, что форма огранки зависит от исходной формы заготовки.

В последующие годы при исследовании проходного бесцентрового шлифования основное внимание уделялось вопросам образования формыпоперечного сечения в зависимости от тех или иных параметров наладки.

Б работах проф. Лурье Г. Б. /42,437 и Дымшица Е. С. /2§ 7 рассматривается теория круглого шлифования, уделяется значительное внимание вопросам исправления исходной погрешности заготовки и выбору оптимальных параметров наладки. Отмечается, в частности, что неправильная установка детали над линией центров кругов приводит к образованию трехвершинной огранки. Впервые даны количественные рекомендации по выбору высоты установки центра детали: fo II мм (I.I)/ 'с 15где и — диаметр обрабатываемой детали.

Дальнейшее развитие техники измерений и создание аппаратуры для исследований дало возможность подойти к исследованию процесса проходного бесцентрового шлифования как к диагностируемому динамическому объекту.

Впервые в работе Капустина Н. М. ?32? была исследована жесткость станка и её влияние на точность обработки. Было замечено, что большая часть отжатий кругов вызывалась перемещением шпинделей в подшипниках, экспериментально были определены радиальная и осевая составляющие силы резания, выявлено влияние режимов резания на точность обработки. Форма продольного сечения детали рассматривается в связи с условиями резания. Автор пришел к выводу, что наибольшее влияние на величину огранки оказывает глубина резания (припуск на проход), так как от неё в большей степени, чем от продольной подачи и окружной скорости детали, зависит величина силы резания. С увеличением глубины резания, продольной подачи и окружной скорости детали, убывание погрешности формы в продольном сечении замедляется вследствие возрастания радиальных усилий и значительно большего отжатия кругов.

В работе /327 также уделено внимание влиянию износа шлифовального круга, биения шпинделей шлифовального и ведущего кругов, погрешности настройки станка на точность обработки. Подчеркивается, что с увеличением фактической глубины резания, осевой подачи на оборот и окружной скорости детали износ круга увеличивается, а с увеличением диаметра обрабатываемой детали износ уменьшается. При увеличении окружной скорости детали износ круга возрастает в силу того, что каждое режущее зерно большее количество раз ударяется об обрабатываемую деталь и быстрее разрушается. При увеличении же диаметра обрабатываемой детали увеличивается поверхность контакта между шлифовальным кругом и деталью, возрастает радиальное давление на круг, вызывая его отжатие в подшипниках. Однако, удельное давление на каждое зерно с увеличением поверхности контакта уменьшается.

В результате всесторонних исследований в работе? Z?J предложен расчетно-аналитический метод определения суммарной погрешности обработки при проходном бесцентровом шлифовании. Допуск на размер определяется как суммарная величина колебания размера в зависимости от жесткости станка, износа круга, погрешности наладки и погрешности формы продольного и поперечного сечений: где 8 — допуск на размер-Ру — радиальная составляющая силы резания- ^¿-уя — жесткость станка-Дц — приращение размера в результате износа шлифовального круга-2 — величина погрешности установки ведущего круга на размер.

Попытки теоретически объяснить физическую картину явлений, происходящих при проходном бесцентровом шлифовании были предприняты в работе Барабанова Г. Г., Рубина С. Б., Филькина В. П. /Il7.

Авторы в своих рассуждениях исходили из предположения, что скольжение отдельных точек шлифуемой детали относительно ведущего круга является основным и решающим в процессе проходного бесцентрового шлифования. На этой основе найдена форма ведущего круга, обеспечивающая плотный столб деталей в зоне резания, выведены формулы для определения скоростей точек касания столба колец и ведущего круга. Анализ сил, действующих на столб колец, позволил вывести формулы для определения всех сил, действующих на обрабатываемую деталь, и формулы для определения продольного и поперечного проскальзывания колец относительно ведущего круга. К сожалению, в работе не приводятся подтверждения теоретических расчетов практикой шлифования.

Графический метод исследования погрешностей формы поперечного сечения предлагает в своей работе Кедров С. М. /337. Рассматривается большое число прокруток обрабатываемой детали при различных установках детали относительно ведущего круга. Б результате высказывается мнение о принципиальной возможности получения точной цилиндрической формы при проходном бесцентровом шлифовании. К сожалению исходным условием рассуждений автора было предположение, что станок является абсолютно жестким. При анализе сил, действующих на изделие, отмечается незначительная величина вертикальной составляющей реакции шлифовального и ведущего кругов, что может являться причиной выбросов заготовки из зоны резания.

В 1957;58 гг. в институте Машиноведения АН СССР было проведено статистическое исследование точности процесса проходного бесцентрового шлифования с целью выявления возможности автоматизации управления бесцентровыми автоматами /107. Б работе справедливо замечено, что размер отдельного кольца зависит не только от его первоначального размера, но и от размеров колец, шлифовавшихся с ним одновременно. Б процессе шлифования размеры всех колец непрерывно изменяются и соответственно изменяется влияние размеров этих колец на размер рассматриваемого кольца. Б результате для данного процесса систематические изменения размеров деталей во времени незначительны, но велика зона случайного рассеивания размеров обработанных колец. Предлагается увеличить «запас точности» автоматов за счет увеличения их жесткости, а также создания систем автоматической подналадки.

Аналитическое описание погрешности формы поперечного сечения обрабатываемой детали приводится в работах Филькина В. П.^35,787 и Вескег Е. А. /94,957. Б работе /ЗЬ/ рассматриваются геометрические и кинематические особенности бесцентрового шлифования, даны рекомендации на условия правки ведущего круга для получения плотного столба деталей в зоне резания. Механизм образования погрешности формы представлен в зависимости от параметров наладки станка (углов, определяющих положение центра детали относительно центров ведущего и шлифовального кругов) и взависимости от формы заготовки. Изменение мгновенного радиуса детали в зависимости от угла поворота ^ аналитически описывается тригонометрическим полиномом Фурье. Теоретически доказывается, что в случае устойчивой динамической системы процесс образования формы поперечного сечения получается сходящимся, т. е. при бесконечном времени шлифования можно получить абсолютно круглое тело. Но в практических условиях при воздействии динамических факторов это не достигается. Б работах Вескег 94,957 рассматриваются только нечетные гармонические составляющие погрешности формы. Отмечается, что при бесцентровом шлифовании возможно увеличение погрешности форды обрабатываемой детали, а условия исправления исходной погрешности заготовки зависят от фазовых соотношений погрешности формы детали в точках касания её со шлифовальным и ведущим кругами. И в работеФилькина и в работах &-ескв1 ЕЛ. даются практически одинаковыевыводы и рекомендации по выбору параметров наладки станка. В работе /ЗЬ7 предлагаются методы автоматического размерного регулирования систематической составляющей погрешности обработки.

В работах Колтунова И. Б. /34,35/ рассматривается влияние геометрических соотношений параметров наладки на процесс образования формы поперечного сечения при наружном бесцентровом шлифовании с базированием деталей на жестких опорах. Методика анализа и выводы работы аналогичны работам Филькина В.П.

Принципиально новый подход к исследованию точности проходного бесцентрового шлифования предложен в работах Добрынина С. А. ?23,24,257. Впервые анализ проводится с позиций теории вероятностей и теории случайных функций. Исследованы систематическая и случайная составляющие погрешности обработки, определены коэффициенты взаимного влияния размерной точности заготовки и обработанной детали. Задача о взаимном влиянии друг на друга одновременно обрабатываемых колец решалась на основе теории случайных функций. Подчеркивается, что процесс проходного бесцентрового шлифования в основе своей явялется нестационарным, однако в дальнейших своих рассуждениях автор считает возможным перейти к центрированному случайному процессу, для которого математическое ожидание тождественно равно нулю. Проведенный в работе анализ нормированных автокорреляционных функций показал, что с вероятностью 0,95 исследуемый процесс можно считать стационарным. На основе вычисления и анализа автокорреляционных и нормированных взаимнокорре-ляционных функций определена степень связи между погрешностями размеров деталей до, внутри и после их обработки. В результате определены режимы подналадки, величина подналадочного импульса, предложен прибор управляющего контроля, обеспечивающий рассчитанную модель подналадки. В работе не рассматривались вопросы образования погрешностей форды продольного и поперечного сечениидеталей и способы влияния на механизм их образования.

Во всех перечисленных работах по исследованию проходного бесцентрового шлифования не рассматривалось влияние динамических факторов на процесс образования формы поперечного и продольного сечений, не учитывались свойства самой системы СПИД как единого целого.

Дальнейшее развитие техники измерений и, в частности, внедрение в производство кругломеров дало возможность всесторонне исследовать некруглость обрабатываемых деталей. Глубокий анализ механизма образования погрешности формы поперечного сечения с учетом динамики процесса шлифования дан в работах Романова Б. А. ?61,62]. Рассматривается влияние на процесс образования формы поперечного сечения колебаний элементов станка, вызванных некруг-лостью самой заготовки. Показано, что на условия образования формы оказывают влияние не только амплитуда, но и фаза колебаний, а также соотношения между частотами возмущающих воздействии и собственными частотами станка. Автором получены «передаточные отношения», определяющие влияние погрешностей формы обрабатываемой детали в точках контакта изделия с ведущим кругом и ножом на величину мгновенного натяга, т. е. на податливость шлифовальной и ведущей бабок. Для описания погрешностей формы поперечного сечения детали автор воспользовался рядами Фурье, а анализ образования погрешностей формы проводился для каждой гармоники отдельно. В результате исследований построена динамическая карта периодических погрешностей формы изделия при бесцентровом шлифовании, на которой нанесены границы зон увеличения погрешностей формы для всех возможных гармоник. В результате исследования динамических характеристик бесцентровошлифовальных станков предлагается метод контроля качества станков, основанный на построении амплитудно-фазовой частотной характеристики системы СПИД.

Многочисленные и плодотворные исследования бесцентрового шлифования были проведены на Московском заводе автоматических линий или.50-летия СССР во главе с Волковым Л. П. и Прохоровым А.Ф.

59,807. Еыли подробно исследованы и проанализированы различные конструктивные решения отдельных узлов и деталей, устройств для правки кругов, выбора состава и способов подачи СШ. При этом большое внимание уделялось назначению режимов обработки. Б указанных работах рассматриваются также вопросы повышения точности и стабильности обработки, режущие способности различных шлифовальных кругов, влияние геометрических параметров наладки станка на форму продольного и поперечного сечении изделия, влияние динамических факторов на точность обработки. Б работе /587 основное внимание уделяется бесцентровому шлифованию длинных деталей типа прутков и образованию их продольной геометрии. Основной причиной возникновения погрешностей формы обработанных прутков являются колебания во время резания нешлифуемых концов детали под действием неуравновешенности из-за кривизны оси заготовки. Результатами работ явились конструктивные усовершенствования моделей выпускаемых станков, рекомендации по выбору рациональной компоновки станка, по расчету геометрических параметров наладки и режимов правки шлифовального и ведущего кругов. Б работах /59,807 даны перспективные направления дальнейшего повышения точности и производительности с использованием различных средств регулирования по результатам измерений детали в процессе обработки, подчеркивается необходимость создания и оснащения станков устройствами для автоматической балансировки кругов.

Б последние десять лет при проведении различного рода исследований станков и процессов резания все более широкое применение находит вычислительная техника. Разработаны программы и составлены методические рекомендации по расчету динамических характернотик упругой системы металлорежущих станков, которые позволили подойти к анализу динамической системы станка, как системы со многими степенями свободы /607. Многие работы направлены на поиск оптимальных вариантов как конструкции станка в целом, так и отдельных его узлов с помощью математических методов моделирования. Б работе А. И. Левина /407 рассмотрена методика математического моделирования в исследованиях и на стадии проектирования станков на аналоговых и цифровых ЭВМ.

Бесцентровошлифовальный станок как динамическая система со многими степенями свободы рассматривается в работе В. Ф. Симонова /69?. Исследуется влияние динамики на геометрическую точность изделий. В качестве внешних возмущающих воздействий приняты погрешности формы заготовки, изменяющиеся по гармоническому закону. Теоретически и экспериментально установлена зависимость условий образования погрешностей формы от собственной частоты и жесткости закрепления станины станка. Для определения рациональной динамической наладки предлагается использование амплитудно-фазовых частотных характеристик системы с тремя степенями свободы.

При проходном бесцентровом шлифовании одной из причин, влияющих на точность получения размеров и формы является жесткость обрабатываемых деталей. Вопрос этот, сам по себе достаточно сложный, теоретически пока не описан и экспериментально не исследован. Единственной попыткой рассмотреть влияние жесткости детали на геометрическую точность её в поперечном и продольном направлении явилась работа В. И. Васина /197. Произведен аналитический расчет ожидаемой упругой деформации колец, приводящей к овальности шлифуемой поверхности, применительно к способам шлифования на жестких опорах. К сожалению результаты и выводы работы не могут быть распространены на процесс проходного бесцентрового шлифования без дополнительных исследований и разработок.

В работе В. М. Зайцева /28/ получили дальнейшее развитие вопросы точности и производительности проходного бесцентрового шлифования. Исследуются вынужденные колебания станка под воздействием исходной погрешности заготовки. Автором предложена математическая модель динамической системы станка, состоящая из 5 элементов с II степенями свободы и учитывающая параметры геометрической наладки и процесса резания. В качестве целевой функции при оптимизации динамических характеристик станка была выбрана высота пика Ар частотной характеристики при изменении настройки станка в связи с колебаниями бабки шлифовального круга. Результаты работы использованы при проектировании станков.

О необходимости выбора оптимальной наладки ещё раз подчеркивается в работе /467. Авторами была поставлена и теоретически решена задача определения оптимального сочетания формы ведущего, круга, обеспечивающей правильное базирование заготовок, и размеров заборной и кабрующей части на шлифовальном круге, а также задача определения оптимальных параметров наладки правящего устройства ведущего круга.

В зарубежной литературе достаточно полно и подробно освещены вопросы, связанные с исследованиями, описанием физики и динамики бесцентрового шлифования. В 1925 г. появилась статья РееЬ И/.^. «Теория и практика бесцентрового шлифования» /100/. Однако теоретическим вопросам образования размеров и формы в ней почти не уделяется внимание, а в основном рассматривается огранка, для борьбы с которой рекомендуется поднимать как можно выше центр детали.

В работах !]oneiiu в. /977 показано, что при бесцентровом шлифовании может иметь место не только исправление, но и увеличение исходных погрешностей. При помощи гармонического анализа сравнивается величина различных гармоник до и после шлифования взависимости от положений шлифующих элементов.

Б работах Hahn R.S. /§ 8,997 образование погрешностей формы рассматривалось с учетом влияния динамических факторов. С помощью методов операционного исчисления исследована устойчивость системы под влиянием периодических возмущений, вызываемых некруглостыо заготовки.

Дальнейшее развитие вопросы образования погрешностей получили в работе Piainevaux J.E. /1017, который анализирует устойчивость бесцентрового шлифования. Динамика станка рассматривалась с помощью уравнений', движения. Станок представлен как колебательная система с одной степенью свободы. Предпосылки, положенные в основу работы, являются неполнымив частности, отсутствует рассмотрение геометрических параметров наладки при бесцентровом шлифовании, что не позволило использовать результаты работы для составления практических рекомендаций.

Наиболее полно вопросы образования погрешностей формы исследуются в работе GuinyJ.P. /Эб/. Автор предполагает, что без учета влияния динамики процесс бесцентрового шлифования является сходящимся. Исследуются состояния геометрической и динамической устойчивости станка. Состоянием геометрической устойчивости называется случай, когда некрутлость заготовки не приводит к изменению натяга в системе. Анализ динамики проводится на упрощенной модели с одной степенью свободы. Правая часть уравнения записана в форме конечных разностей и учитывает запаздывания, обусловленные временем прохождения некоторой точки детали от шлифовального круга до базирующих элементов, а также время одного оборота детали. В работе не рассматривается связь состояния геометрической устойчивости с динамическими явлениями. Решение составленных уравнений проводилось моделированием на ЭВМ. Результаты решения приведены в виде диаграмм устойчивости, которые могут быть использованы присоставлении практических рекомендаций: по выбору параметров наладки. Автор не учитывал в анализе жесткость детали и не очень убедительно объяснил это тем, что деталь имеет опору в рабочей области и не может подвергнуться изгибу. Рассматривалось также состояние станка на переходном режиме и было установлено, что для значений коэффициента усилия резания, необходимых, чтобы обеспечить динамическую устойчивость, неизбежна небольшая некрутлость обрабатываемой детали.

1.2. Анализ способов и средств управления точностью при бесцентровом шлифованииНесмотря на большое количество работ по исследованию проходного бесцентрового шлифования, способов и средств управления этим процессом практически нет. Б период наиболее бурного развития средств активного контроля (60-е годы) была разработана целая серия подналадчиков для проходных бесцентрошлифовальных станков. И на определенном этапе развития техники они нашли и оправдали свое применение. Но по мере усовершенствования конструкций станков и увеличения их жесткости отпала необходимость в самой идее подналадки, — поддержание на заданном уровне диаметрального размера обрабатываемой детали. Бее приборы — подналадчики построены на основе общей теории подналадки, разработанной в работах профессора Болосова С. С. /13,207.

Как известно, все погрешности обработки разделяются на систематические и случайные. Согласно этой теории систематические погрешности рассматриваются как пределы, к которым стремятся усредненные случайные погрешности. Случайные погрешности можно разделить на собственно случайные (некоррелированные) и функциональные (коррелированные). Под усредненными понимаются погрешности, которые характеризуются отклонением центра группирования собственно случайных погрешностей. Усредненные погрешности являются практическими характеристиками теоретических (систематических) погрешностей. На рис. 1.2 показана связь между собственно случайными и усредненными погрешностями.

Линия а-й представляет собой среднюю линию совокупности размеров детали, как бы траекторию центра группирования функциональных усредненных погрешностей. Точки 1,2,3 и т. д. — собственно случайные погрешности. Собственно случайные погрешности размеровв производстве обычно подчиняются закону нормального распределенияАМКМСвязь между случайными и усредненными погрешностями.

Рис. 1.2Схема распределения погрешностей. Рис. 1.3(закону Гаусса). Б этом случае схему распределения погрешностей теоретически можно представить в виде, изображенном на рис. 1.3.

Подналадчики компенсируют влияние только функциональных усредненных погрешностей. Объясняется это прежде всего спецификой самого проходного бесцентрового шлифования, при котором в зоне резания одновременно находится до двух десятков обрабатываемых деталей и окончательный размер каждой из них фактически формируется очень узкой кромкой шлифовального круга при выходе из зоны обработки. Таким образом, практически контроль деталей для этих процессов можно осуществлять только вне зоны резания, т. е. уже после обработки.

Принципиальная схема подналадочной системы показана на рис. 1.4. Обработанная деталь I после выхода из зоны обработки контролируется с помощью преобразователя 2 (индуктивного или любого другого). По мере износа шлифовального крута размеры деталей постепенно увеличиваются и приближаются к верхней границе поля допуска. Когда размеры деталей достигают установленной границы, замыкается контакт преобразователя 2 и электрический сигнал после усиления поступает в электромагнит, управляющий работой храпового механизма 3 или подъемником домкрата (в последних моделях станков). Храповое колесо и связанный с ним ходовой винт поворачиваются и шлифовальная бабка перемещается по стрелке на величину поднала-дочного импульса. Размеры колец уменьшаются и цикл подналадки начинается снова. Период времени между двумя соседними подналадочными импульсами является в общем случае величиной переменной.

С точки зрения точности и принципа действия подналадочные системы можно классифицировать следующим образом: подналадка по одной деталипо повторным импульсампо одному или двум настроечным (предельным) размерампо положению центра группирования собственно случайных погрешностей (по среднему арифметическомуiПринципиальная схема размерной подналадки.

Рис. 1.4или по медиане). На рис. 1.5 показан график изменения размера при подналадке по одной детали.

Условно принято, что функциональные погрешности обработки изменяются линейно и, следовательно, распределяются по закону равной вероятности. Подобное допущение примерно соответствует реальным условиям обработки на металлорежущих станках. Линия 3−3 отражает общую (среднюю) тенденцию изменения размеров. Отклонения размеров деталей от средней линии характеризуют собственно случайные погрешности обработки. Собственно случайные погрешности обработки, как правило, подчиняются закону нормального распределения. Таким образом, суммарная кривая распределения погрешностей размеров представляет собой композицию законов Гаусса и равной вероятности.

Процесс подналадки осуществляется следующим образом. По мере износа инструмента и тепловых деформаций технологической системы центр группирования размеров обрабатываемых деталей перемещается по линии 3−3, приближаясь к линии настройки 2−2. При переходе размера какой-либо детали за линию настройки преобразователь срабатывает и возникает подналадочный импульс, в результате которого исполнительный орган станка перемещается (по стрелке) на величину А. Центр группирования смещается к нижней границе подналадки на эту же величину. Затем процесс повторяется снова до появления детали с размером, способным вызвать следующий подналадочный импульс. Параметр А, равный величине подналадочного импульса, в первом приближении можно рассматривать как систематическую составляющую погрешности обработки. Составляющая характеризует собой мгновенное рассеивание размеров деталей, т. е. величину поля рассеивания собственно случайных погрешностей, которые не компенсируются поднала-дочными системами. Величину случайных погрешностей определяют теоретически при разработке подналадочной системы, а затем уточняют при испытаниях. На основании полученных данных корректируют.

График изменения размера цри подналадке по одной детали.

Рис. 1.5положение начальной наладки станка и настройки команды на подна-ладку. Б современных бесцентровошлифовальных автоматах минимальная величина подналадочного импульса составляет 1−2 мкм.

Подналадчики, как правило, разрабатываются для конкретных видов изделий и определенных типов станков. Почти все существующие модели подналадчиков, разработанные, в основном, Особым конструкторским бюро Минетанкопрома, описаны в работе /6] т Типичный пример представляет подналадчик 0КБ-КС1ВЛ1 для контроля среднего диаметра наружной поверхности колец подшипников и выдачи по результатам измерения управляющих команд «Брак +», «Брак -» и «Под-наладка». Принципиальная схема подналадчика показана на рис. 1.6. Контролируемые детали после обработки поступают в приемный лоток 6 и скатываются по нему до упора 15. После накопления в лотке определенного количества деталей фотореле 5 и 14 перекрываются и подналадчик включается в автоматический цикл работы. От двигателя 2 вращение передается на распределительный вал 3, с которым связаны командоаппарат I и шариковый привод 4. Б начале цикла упор 7 отделяет контролируемую партию колец от колец, находящихся в лотке. Из контролируемой партии подъемником 13 снимается одна деталь и подается на позицию измерения, устанавливаясь между двумя тарелками 12 соосно с кольцом 8, в котором расположены измерительные сопла с шариковой заслонкой. После контроля деталь возвращается на подъемник и освобождается от зажима. Подъемник опускает деталь на лоток, упор 15 перемещается вниз, и вся партия деталей в зависимости от результата измерения направляется в лоток годных деталей или в емкости брака. При сигнале «Брак -» открывается только заслонка 16 от электромагнита 17, а при сигнале «Брак +» открывается также и заслонка 18 от электромагнита 19. Когда размер контролируемой детали находится на границе подналад-ки, детали считают годными, но в станок поступает команда на под-наладку.

Принципиальная схема подналадчика ОКБ-КС IEMI.

Рис. 1.6Выборочный контроль связан с высокой производительностью бес-центровошлифовальной обработки, при которой практически невозможно осуществлять контроль средне го диаметра каждой детали.

Б Кузбасском политехническом институте проводились работы Полетаевым Б. А. и Рябовым С. А. по исследованию влияния динамических характеристик системы СПИД на процесс образования наружной поверхности при бесцентровом шлифовании. Результаты изложены в трудах Куз Пи /52,53/. Б работе /53/7 рассматриваются условия резания при проходном шлифовании в связи с колебанием глубины резания за один оборот. Предлагается способ управления процессом образования наружной поверхности путем поддержания оптимальной геометрической наладки по мере износа шлифовального круга за счет уменьшения высоты центра детали и сохранения неизменной её окружной скорости. Схема осуществления этого способа показана на рис. 1.7.

Наладка процесса образования наружной поверхности при бесцентровом шлифовании производится с помощью косвенного параметра Н. Величина Н является функцией Ящ¡-Hg^fßи У. При износе кругов углы наладки? и у изменяются, что требует корректировки высоты ножа Н. Спроектировано устройство, позволяющее компенсировать положение центра детали за счет изменения высоты ножа. Так как скорость износа шлифовального круга намного выше, чем ведущего, изменение величины Н для упрощения конструкции принято только в зависимости от изменения диаметра шлифовального крута. К сожалению, в работе не приводятся данные производственных испытаний подобного устройства.

Б работах Проникова A.C. и Семенова Г. Б. /67,68,76? всесторонне исследуется процесс проходного бесцентрового шлифования с целью разработки способов повышения его технологической надежности. Предложенный способ автоматической подналадки бесцентровошли-фовального станка защищен авторским свидетельством /68/.

Способ управления точностью наружной поверхности по параметру «Н» .

Рис. 1.7 В работе /677 рассматривается геометрическая наладка станка как исходное условие получения деталей заданной точности. Все процессы, происходящие при резании, исследуются с точки зрения их влияния на стабильность наладки. Автор отмечает, что технологическая надежность бесцентровошлифовальных станков определяется способностью станка сохранять в определенных пределах взаимное положение рабочей поверхности опорного ножа, поверхности ведущего круга и режущей поверхности шлифовального круга. Все без исключения процессы, происходящие в станке, оказывают влияние на точность обработки через эти три поверхности. Б работе выведена аналитическая зависимость диаметра детали от параметров наладки: где с1 — диаметр детали-X — расстояние между центрами ведущего и шлифовального кругов— высота превышения оси детали.

Предложенный способ подналадки заключается в изменении высоты детали путем подачи нош. Разработан суппорт, обеспечивающий этот способ подналадки. На основе проведенных исследований и разработок предлагается способ автоматического управления точностью обработки на бесцентровошлифовальных станках с помощью ЭЦВМ. Принципиальная схема представлена на рис. 1.8. На станине I расположены бабка шлифовального круга 2 и бабка ведущего крута 3. К станине крепятся датчики 4 и 5, регистрирующие смещения шлифовального и ведущего кругов, вызванные упругими отжатиями в момент резания. Обрабатываемая деталь 6 опирается на нож 7, установленный в суппорте 8. Датчики 9,10 измеряют износ шлифовального и ведущего кругов. Данные от датчиков через усилитель II и преобразователь 12 поступают в вычислительное устройство 13, где рассчитываетсяСхема автоматической подналадки бесцентрсжошлифовального станка согласно а.с. 543 509.

Рис. 1.8диаметр детали, находящейся в зоне обработки, по формуле (1.3). Расчетное значение диаметра сравнивается с допустимым и при выходе его за границу допуска подается команда через преобразователь 14 на механизм перемещения опорного ножа 15. Данные о промышленной реализации и производственных испытаниях способа в работе отсутствуют.

Б работе Б. Х. Рубиновича и др. /637 предлагается повышение точности обработки проходного бесцентрового шлифования путем применения системы автоматической стабилизации силы резания при шлифовании. При исследовании процесса резания анализ показал, что наиболее простым и эффективно влияющим на силу резания воздействием является продольная подача деталей, связанная с частотой вращения ведущего круга. Б качестве управляемой величины наиболее целесообразным является использование радиальной составляющей силы резания Ру так как эта сила и вызываемые ею упругие деформации в радиальном направлении непосредственно влияют на выходной диаметральный размер деталей. Экспериментальные измерения упругих деформаций показали, что использование их в качестве управляемой величины имеет существенные недостатки: сложность измерительного преобразователя, трудность его встройки в систему станка, а также пониженная надежность его работы в условиях вибраций и абразивной пыли. Б связи с этим в качестве управляемой величины была выбрана тангенциальная составляющая силы резания /г измеряемая через косвенный параметр — активную мощность электродвигателя шлифовального круга. На рис. 1.9 представлена функциональная схема станка как объекта управления.

Отдельно выделены привод ведущего круга (ПЕК), состоящий из двигателя постоянного тока (ДВК), усилителя мощности (УМ) и червячного редуктора (ЧР) и привод шлифовального круга (ПШК), в который входят двигатель шлифовального круга (ДШК) и ременная перегПВК/7| |икс пт. иц 1|1-ЯД&К (л)дЧРпроцесс резанияГ’II".II IРПМнДШК? А/ее I «Iсо гоФункциональная схема станка как объекта управленияРис. 1.9 ¦дача (РП). Выходной величиной является сигнал активной мощности А/а управляющим воздействием на процесс резания — угловая скорость ведущего круга к, а основными возмущающими факторами — припуск, А и твердость заготовок НЯСд.

Математическая модель объекта управления представлена нелинейным дифференциальным уравнением третьего порядка в общем виде: ' «где ¿-Х, нелинейная функция координат-&- [^а. Н.^{кциональный} коэффициент при управ ляюа» ' а> ' щем воздействии-£ - время.

Лабораторные и производственные испытания САУ показали высокую эффективность её применения. При серийной обработке деталей типа валиков диаметральная точность размеров после чернового шлифования повышается в 1,5−2 раза, продольная погрешность формы уменьшается в 2,0−1,5 раза. Это приводит к повышению производительности обработки в 1,2−1,8 раза.

Авторы рассматривают черновой проход при бесцентровом шлифовании, стремясь на этой стадии обработки уменьшить поле рассеивания размеров обрабатываемых деталей, тем самым уменьшить количество проходов и за счет этого повысить производительность. Действительно, на черновых операциях, значительные колебания припуска на заготовке вызывают заметные колебания такого параметра как активная мощность электропривода шлифовального крута. Однако, на чистовых проходах, где, собственно, и формируется требуемая высокая точность формы обрабатываемой детали, съемы незначительны и сигнал активной мощности также очень мал. Предложенный способ может быть эффективно реализован только на черновых операциях, где съем с обрабатываемой детали колеблется от 0,1 до 0,2 мм (а иногда ибольше) на один проход.

1.3.

Цель и задачи исследования

Приведенный выше литературный обзор показал, что процесс проходного бесцентрового шлифования привлекал и привлекает внимание многих специалистов и исследователей, несмотря на то, что принципиальная конструктивная схема станков почти не изменилась. Объясняется это прежде всего сложностью самого процесса резания, а также постоянно растущей потребностью нашей промышленности в такого вида оборудовании.

Как видно из анализа, до сегодняшнего дня отсутствуют системы управления точностью обработки для проходных бесцентровошлифо-вальных автоматов, несмотря на то, что накоплен большой опыт создания таких систем для всех остальных видов шлифовального оборудования, где работа ведется по замкнутому циклу. Для многих процессов шлифования (внутреннего и круглого врезного) разработаны математические модели, описывающие зависимости выходных величин от различных возмущающих воздействийразработаны и внедрены системы автоматического управления и регулирования. Среди всех классов и разновидностей САУ здесь находят применение системы, работающие по принципу стабилизации усилий резания или величины упругой деформации узлов станка, системы для стабилизации скорости резания, мощности шлифования.

Существующие на сегодняшний день различные системы подналад-ки можно применять также, в основном, на операциях чернового шлифования в тех случаях, когда допуск на диаметральный размер не менее 10 мкм. На чистовых операциях допуски на размер и форму обрабатываемых деталей в настоящее время стали настолько близки и соизмеримы, что подналадчики не в состоянии поддерживать их на требуемом уровне.

Для проходного бесцентрового шлифования эти системы не подходят, за исключением систем стабилизации скорости шлифовального крута или мощности при работе на черновых, обдирочных операциях. Это объясняется тем, что при проходном бесцентровом шлифовании главным условием получения требуемой точности является постоянство соотношения рабочих элементов наладки: кромки ведущего круга и касательной прямой шлифовального крута относительно детали. При прочих неизбежных возмущениях, зона резания должна постоянно находится в условиях исходной расчетной наладки. Следует подчеркнуть, что при проходном бесцентровом шлифовании образование размеров и формы деталей происходит одновременно, поэтому исследование причин возникновения погрешностей формы и отклонения размеров составляют общую задачу точности.

Учитывая постоянно растущие требования к повышению точности деталей машин и механизмов, в частности, деталей типа тел вращения, обрабатываемых на проходных бесцентровошлифовальных станках, задача эта является актуальной и на сегодняшний день.

Таким образом, для проходного бесцентрового шлифования, главным условием обеспечения требуемой точности размеров и формы является, с одной стороны, стабилизация геометрических параметров наладки станка. С другой стороны, факторы, вызывающие отклонения параметров наладки от расчетных, носят многочисленный и случайный характер (колебания припуска на заготовке, неравномерный износ шлифовального круга и т. д.).

Целью настоящей работы является повышение точности и производительности проходного бесцентрового шлифования за счет управления технологическими параметрами, влияющими на процесс формообразования поверхности детали в продольном и поперечном сечениях.

Для этой цели необходимо решить следующие задачи: — исследовать зависимость точности формы деталей от технологичес-¦ких факторов, влияющих на механизм её образования— аналитически описать процесс образования погрешностей формы продольного и поперечного сечений детали— разработать математические модели процесса образования погрешностей формы в условиях нестационарного изменения возмущающих воздействий и алгоритмы расчета их на ЭВМ— провести экспериментальное исследование процесса образования погрешностей формы и сделать сравнительный анализ полученных результатов и аналитических расчетов— разработать принципиальную схему и алгоритм работы комплексной системы управления точностью обработки на проходных бесцентрово-шлифовальных станках, разработать и испытать основные модули этой системы— провести производственные испытания основных модулей системы управления, определить их техническую и экономическую эффективность.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВНА ТОЧНОСТЬ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ БЕСЦЕНТРОВОГО ШЛИФОВАНИЯК деталям, обрабатываемым на проходных бесцентровошлифова-льных станках, предъявляются высокие требования по точности размера и формы продольного и поперечного сечении.

Как правило, погрешности формы нормируются в 2.3 раза жестче, чем отклонения диаметрального размера. Например, для поршневых пальцев, на которых проводился основной объем экспериментальных исследований в данной работе, допуск на окончательно обработанный диаметральный размер составляет — 0,006 мм. При этом овальность и огранка допускаются не более 0,002 ммотклонение профиля продольного сечения, в том числе конусообразность и седлообразность, — не более 0,002 мм. Для колец карданного подшипника допуск на диаметр составляет 0,009 ммогранка и конусообразность не более 0,004 мм.

В настоящее время, с точки зрения измерений эти требования являются вполне реальными, они могут быть проконтролированы как в лабораторных условиях (на таких приборах, как крутломер, про-филограф-профилометр, Талиронд, Талилин), так и в условиях массового производства на контрольных автоматах и приборах ручного контроля, предназначенных для обслуживания автоматических линий и специальных станков. Поэтому, обеспечение высоких требований к точности целиком зависит от технологического процесса.

Погрешности формы продольного и поперечного сечения нормируются в соответствии со стандартом СЭВ — СТ СЭВ 301−76 «Допуски формы и расположения поверхностей». Для всех обрабатываемых деталей будем рассматривать в качестве погрешности формы поперечного сечения — отклонение от крутлости, частными видами которого являются овальность и огранкадля продольного сечения — отклонение профиля продольного сечения, в частности — конусообразность, и отклонение от прямолинейности образующей (согласно п. 2.1.3. СТ СЭВ 301−76). Каждый вид погрешности при обработке формируется в результате множества разнохарактерных возмущающих воздействий, различных как по времени возникновения, так и по длительности их протекания.

2.1. Технологические особенности проходного бесцентрового шлифованияОсобенность проходного бесцентрового шлифования заключается в том, что в зоне обработки находятся одновременно 20.30 деталей с различными размерами наружного диаметра, различными отклонениями форш и различными физико-механическими характеристиками, которые в процессе шлифования сложно взаимодействуют и влияют друг на друга. Такая специфика самого процесса создает немалые трудности как при исследовании, так и при создании оптимального варианта технологического процесса.

Рассмотрим принципиальную схему бесцентрового шлифования и распределения сил, действующих в зоне резания (рис. 2.1). Заготовка 2 базируется на опорном ноже 4 и ведущем круге 3. Шлифовальный крут I вращается со скоростью значительно большей, чем скорость вращения ведущего круга и детали. Частота вращения заготовки определяется частотой вращения ведущего круга. Разность скоростей между заготовкой и режущей кромкой шлифовального круга обусловливает процесс резания. При бесцентровом шлифовании отсутствует жесткая кинематическая связь заготовки с базовыми элементами и шлифовальным крутом. Базирование происходит по шлифуемой поверхности и заготовка располагает большим числом степеней свободы. Она не только вращается, но и движется поступательно вдоль образующей шлифовального и ведущего кругов. Это движениеПринципиальная схема бесцентрового шлифованияРис.2.1Разворот ведущего крута в вертикальной плоскостиРис. 2.2ей также сообщает ведущий круг, для чего его ось повернута по отношению к оси заготовки на угол сС (рис. 2.2). Теоретические значения скорости окружного движения подачи 60 и скорости продольного движения подачи Zsnpod. заготовки можно рассчитать по формулам: где — окружная скорость ведущего круга.

Действительные значения скоростей окружного и продольного движений отличаются от теоретических из-за наличия проскальзывания между заготовкой и ведущим крутом. По данным /" 597 окружное и продольное скольжение приводит к тому, что скорости заготовки отличаются от их теоретических значений на величину от I до 30 $. Б основном эта величина зависит от непрерывности контакта столба заготовок по всей длине с базовыми и шлифующим элементами.

Для равномерного снятия припуска по всей длине прохода шлифовальный крут затачивается на конус, широкой частью направленной к выходу изделий. При этом заготовка должна равномерно вращаться вокруг своей оси и двигаться равномерно-поступательно вдоль ведущего крута.

В процессе обработки на заготовку действуют силы резания со стороны шлифовального круга Рх, и Ру{, а также силы со стороны ведущего круга и Ру. Со стороны ножа на деталь действует нормальная сила А/ величиной которой можно пренебречь, во-первых, потому, что она является постоянной для каждой конкретной детали и, во-вторых, потому что она значительно меньше всех остальных силовых воздействий, определяющих переменный характер условий обработки.

Размер и форма детали формируются в течение всего отрезка времени, пока заготовка проходит зону обработки. Этот период определяется шириной шлифовального крута и скоростью продольнойподачи детали, т. е. такими технологическими параметрами, как частота вращения ведущего круга П$к (об/мин.), диаметр ведущего круга и угол его наклона оС. Обычно скорость движения продольной подачи определяют исходя из условий требуемой производительности по формуле: Отсвда находят угол с1 — угол разворота ведущего круга в вертикальной плоскости.

От диаметра ведущего круга и частоты его вращения зависит и частота вращения заготовки в зоне обработки, а следовательно и формообразование поперечного сечения, поскольку периодические возмущения от погрешностей геометрической формы поперечного сечения заготовки действуют с частотой, кратной частоте её вращения и числу волн на ней. В инструкциях и литературе по наладке бесцентрово-щпифовальных станков /35,59,80/ указывается, что скорость окружного движения подачи должна выбираться в пределах 20.60м/мин и корректироваться при шлифовании с целью получения заданной величины отклонения от крутлости обрабатываемой детали. В результате получается, что не всегда параметры наладки по соображениям производительности и требуемой точности совпадают, т. е. не всегда наладка станка является оптимальной.

На станок и заготовку при шлифовании действует большое число возмущающих воздействий: колебания припуска и погрешности формы на заготовке, размерный износ инструмента и изменение его режущих свойств, температурные деформации узлов и т. д. По характеру проявления и степени своего влияния на точность обработки все указанные возмущения различны. В общем виде блок-схеме проходного бесцентрового шлифования как объекта управления представлена на рис. 2.3. Входной переметой величиной будет размер обрабатываемой заготовки (Ь) — агвы-ходаой — размер и форма готового изделия Д^ЛУ.Jlpoi резссi цесс чиЯ№Эквивалентная упругая euerem эУс №№Хёы* (t)Блок-схема проходного бесцентрового шлифования как объекта управленияРис.2.3 В общем виде ати переменные будут функциями случайных величин, подчиняющихся нормальному закону распределения (для размеров) и закону Рэлея (для погрешностей формы).

Главным контуром на нашей схеме, как и для всех металлорежущих станков, является контур, связывающий эквивалентную упругую систему станка (ЭУС) с процессом резания (ПР).

Основным условием получения требуемых размера и точности формы готовых изделий при бесцентровом шлифовании является, как видно из схемы на рис. 2.1, постоянство относительного положения между заготовками, шлифовальным кругом и базовыми элементами (ведущий круг и нож), положения, принятого расчетной наладкой из условий заданной производительности и точности. Вообще, вопросы первоначальной наладки станка в литературе освещены достаточно подробно /35, 58, 59, 627, и в настоящее время не представляет труда выбрать и рассчитать параметры наладки и режимы резания для каждой конкретной детали. Проблема заключается в том, чтобы эту наладку сохранять во время шлифования в течение всего периода стойкости шлифовального круга, т. е. стабилизировать наладку.

Какие же причины вызывают изменения относительного положения между заготовкой, шлифовальным кругом и базовыми элементами, и в чём их первоисточник? Основные из них показаны на блок-схеме рис. 2.3. Это возмущающие воздействия, вызванные колебаниями припуска на заготовке ^ [Ь] изменение режущих свойств шлифовального кругапериодическое возмущение от погрешностей геометрической формы заготовки, влияние неуравновешенности шлифовального круга и, наконец, температурные изменения вызванные условиями резания и влияющие как на сам процесс резания, так и на упругую систему станка.

Колебания припуска на заготовке вызывают изменениясил резания. Эти изменения носят случайный и непрерывный характер, поскольку при проходном шлифовании детали входят в зону резания непрерывно. Действующие в зоне резания силы вызывают соответствующие реакции в опорных стыках и, как следствие, упругие перемещения ведущего и шлифовального кругов. Б результате нарушается конфигурация зоны резания, заготовка смещаясь, поворачивается в пространстве, её ось не остается параллельной своему первоначальному положению, и начинают формироваться погрешности формы продольного сечения.

Упругие перемещения, вызванные изменениями сил резания во времени, соответствуют изменениям координат, определяющих точность формы продольного сечения. Однако, силы, действующие в зоне резания, изменяются не только в результате входа в зону обработки заготовок различных габаритов. В процессе шлифования изнашивается и затупляется шлифовальный круг. Колебания припуска под обработку и физико-механических характеристик самого круга по его ширине делают износ и затупление неравномерными вдоль зоны резания. Экспериментальное исследование динамики проходного бесцентрового шлифования, приведенное в четвертой главе, показало, что силы резания в течение периода между правками шлифовального круга монотонно растут: тангенциальная составляющая изменяется примерно на 15 $, а радиальная составляющая более значимо, в 2-Зраза.

Это вызывает отжим шпинделя в его опорах, причем реакция опор не только увеличивается, но это изменение происходит неравномерно: к моменту правки шлифовального крута отжим шпинделя (и соответственно его оси) в задней опоре больше, чем в передней, что приводит к переориентации всей зоны обработки и ухудшению продольной геометрии обрабатываемых деталей. Априорно считается, что момент правки шлифовального круга наступает тогда, когда деталь теряет точность формы, т. е. значения её погрешностей выходят за пределы допускаемых отклонений. Практически момент правки определить довольно сложно, так как не всегда ухудшение точностных свойств детали связано с потерей кругом режущих свойств. Результаты исследований показали, что импульсные значительные изменения сил резания могут возникать в результате резкого увеличения припуска на заготовке, что часто встречается на предварительных проходах.

Б результате неравномерного износа и осыпания шлифовального круга изменяется не только продольная форма и положение его режущей кромки, но и его радиус, т. е. форма поперечного сечения, что в свою очередь вызывает погрешности Форш поперечного сечения деталей.

Скорость движения окружной подачи заготовки является технологическим параметром, который определяется частотой вращения ведущего круга, диаметром ведущего круга и диаметром заготовки. На каждом обороте заготовки в зоне резания ухудшается или улучшается (исправляется) её поперечная геометрия. Бремя одного оборота детали определяется: Т =: 60 ¿-дц ЗвкПВкСоЬ<1 ' (2−3)Если частота возмущающих воздействий больше величины то они вызывают появление погрешностей формы поперечного сечения. Частота вращения шлифовального круга в 200.300 раз превышает частоту вращения заготовки. Следовательно, погрешности формы поперечного сечения самого шлифовального круга многократно нало-жатся на форму поперечного сечения обрабатываемой детали. Но ведь и заготовка несет на себе возмущающие воздействия колебания её радиуса как след от предшествующих операций. Если частоты возмущающих воздействий, вызванных погрешностями формы поперечного сечения шлифовального крута и заготовки совпадут, это приведет к резкому ухудшению поперечной геометрии детали. Б этом случае, если сами погрешности текущего радиуса шлифовального крутаи заготовки невелики, то достаточно для обеспечения точности форглы поперечного сечения детали выйти из резонансной зоны, изменив частоту вращения детали путем изменения частоты вращения ведущего круга. Положительный эффект такого приема, в свою очередь, зависит от точности формы ведущего 1фуга.

Ведущий крут, как уже говорилось, является базовым элементом, обеспечивающим вращение заготовок в зоне резания и их продольное перемещение. Чтобы не было проскальзывания и колебаний скоростей окружной и продольной подач, контакт столба заготовок с ведущим кругом должен быть непрерывным. Поскольку ведущий круг разворачивается в вертикальной плоскости на угол оС ему придают во время правки сложную форму гиперболоида вращения. Бот от точности воспроизведения этой формы и зависит, в значительной степени, непрерывность связи заготовок с базовым элементом. Ведущий крут, в отличие от шлифовального, изнашивается значительно меньше и правится гораздо реже, поэтому точность его формы можно рассматривать только в процессе первоначальной наладки.

Шлифовальный крут во время работы имеет частоту вращения порядка 1000.1200 об/мин. Периоды между его правками, по разным источникам, колеблются от нескольких десятков минут до нескольких часов. Картина изменения его формы при этом почти не изучена. Однако, сама правка — процесс довольно длительный, занимающий от 30 до 40 минут рабочего времени. При этом снимается слой абразива порядка 1−2 мм на диаметр. Таким образом, правка шлифовального крута — процесс дорогостоящий, поэтому осуществлять её желательно строго обоснованно, что требует специального исследования для каждой конкретной операции.

Неравномерный износ шлифовального круга по радиусу и образующей, неравномерная по радиусу и ширине круга пропитка егосмазывающе-охлаждающими веществами, неравномерность заполненияпор круга отходами шлифования,-все это приводит к возникновению ещё одного вида возмущающих воздействий — неуравновешенности шлифовального круга, которая вызывает нежелательные колебания в зоне обработки на частоте вращения шпинделя. Как и любые другие колебания, колебания от дисбаланса изменяют мгновенное относительное положение заготовки, шлифовального и ведущего кругов. Для определения качественной стороны процесса образования формы детали под действием дисбалансов шлифовального круга следует рассмотреть колебания оси шлифовального шпинделя в пространстве, чтобы установить характер пространственного перемещения режущей кромки шлифовального круга.

Многочисленные исследования точности обработки на шлифовальных станках показывают, что погрешности, связанные с тепловыми деформациями, соизмеримы с допусками на изготовление деталей. При резании в узлах и механизмах станка, электрои гидроприводе выделяется тепло от так называемых внутренних, собственных источников тепла. Степень нагрева указанных элементов и влияние тепловых деформаций на изменение точностных параметров обработки определяются особенностями конструкции станка и технологии.

Тепловые деформации станков являются следствием обратимых процессов изменения температуры деталей и узлов конструкции, в которых в общем случае создается переменное в пространстве и времени температурное поле. Эти изменения случайны вследствие переменности определяющих их параметров: колебания величины тепловыделения в зоне резания и механизмах станка из-за изменения припуска и твердости заготовки, коэффициентов трения и режущей способности шлифовального круга.

Существует множество методов уменьшения влияния тепловых деформаций на изменение точности обработки /31, 72, 92/. Срединих есть и организационно-технические, и технологические, и конструкторские мероприятия, и, наиболее распространенная в последнее время, — компенсация тепловых деформаций. Компенсацию деформаций осуществляют относительными перемещениями обрабатываемой заготовки и режущего инструмента с учетом величины и знака этих деформаций.

Для проходных бесцентровошлифовальных станков, как уже подчеркивалось, точность обработки зависит от точности относительного положения заготовки, шлифовального и ведущего кругов, определяемой наладкой станка и различными возмущающими воздействиями, в том числе температурными. Задача повышения точностной надежности станков за счет управления их тепловыми деформациями сводится к тому, чтобы нагревая или охлаждая отдельные элементы конструкции станка, т. е. прикладывая к нему управляющие воздействия различного знака, добиться постоянства относительного положения заготовки и инструмента или колебания его в допустимых пределах при заданных перемещениях рабочих органов станка.

Однако, как показал анализ возмущающих воздействий, для бесцентровошлифовальных станков тепловые деформации не единственная причина изменения во времени относительного положения обрабатываемых изделий, шлифовального круга и базовых элементов. Более того, для проходных бесцентровошлифовальных станков с широкими кругами они несоизмеримо малы по сравнению с упругими деформациями, потому что это крупногабаритная машина, у которой диаметр шлифовального круга 500 мм, а длина 600 ммдиаметр ведущего круга 350 мм при той же длине. При этом диаметр обрабатываемых деталей может быть от 10 до 200 мм. Разумеется, вся эта система разогревается очень медленно, период температурной стабилизации достигает, в зависимости от вида операции, нескольких часов. Б то же время, по условиям эксплуатации, станок должен останавливатьсячерез 1,5.2 часа работы для правки шлифовального круга, и завремя правки (30.40 минут) безусловно остывает. Но если температурные деформации возникают и развиваются медленно,.то отжимы и деформации в системе СПИД от колебании припуска на заготовке, от сил резания проявляются сразу же, как только начинается процесс резания. И эти деформации намного превышают те изменения формы отдельных узлов станка, которые вызваны температурой. От тепловыделения шпиндельная бабка и бабка ведущего крута расширяются и, по схеме шлифования (рис. 2.1), должны бы, сближаясь, сужать зону резания. Очевидно, это и происходит, но не компенсирует отжимы шпинделей в опорах и износ шлифовального крута, поскольку мы наблюдаем с течением времени только расширение зоны резания и увеличение диаметра обрабатываемых изделий.

Нам представляется наиболее целесообразным, учитывая все вышесказанное, при построении систем управления для рассматриваемого типа станков не выделять температурные деформации в отдельный контур, а учитывать результирующую векторную величину упругих перемещений, вызвавших недопустимое изменение относительного положения заготовки, шлифовального и ведущего кругов.

Технологический анализ процесса обработки на проходных бесцентр овошлифовальных станках показал, что точность формообразования здесь зависит от всех колебательных процессов, происходящих в зоне резания и определяется, с одной стороны, векторной суммой амплитуд этих колебаний, а^с другой стороны, абсолютной и относительной жесткостью узлов и опорных стыков в станке. При этом следует также учесть, что амплитудно-фазово-частотная характеристика для каждого конкретного станка будет иметь свои значения собственных частот, и в случае появления возмущений на этих частотах процесс формообразования будет складываться наиболее неблагоприятно, так как в системе возникнут резонансные явления, которые приведут к резкому ухудшению всех параметров точностиобработки. При этом каждый колебательный контур, действующий в зоне обработки, будет влиять на разные параметры точности, вызывая разные по характеру и величине погрешности обработки.

Поэтому для создания технологического обеспечения систем управления точностью формообразования необходимо иметь информацию о влиянии различных технологических параметров на точность обработки, необходимо экспериментальное исследование конкретного технологического процесса с целью установления функциональных или корреляционных связей между погрешностями обработки и причинами, их вызвавшими.

2.2. Влияние припуска на точность проходного бесцентрового шлифованияКолебания припуска на заготовке являются одним из возмущающих воздействий исследуемого процесса, вызывающим дополнительные деформации в системе СПИД. Когда в зону резания входит заготовка с резко завышенными или заниженными припусками на обработку, происходит переориентация всей зоны резания: нарушаются равномерность съема припуска, прилегание поверхности заготовки к образующим ведущего и шлифовального кругов, в результате чего формируется дополнительная погрешность формы продольного и поперечного сечений.

Экспериментальная проверка влияния припуска на точность проходного бесцентрового шлифования проводилась для шлифования наружных цилиндрических поверхностей колец карданных подшипников на станках модели СЛ-510, встроенных в автоматическую линию по производству карданных подшипников типа 704 902К 28 мм) на10 ГПЗ. Выбор места и объекта исследований определялись прежде всего необходимостью проведения эксперимента в реальных производственных условиях: во-первых, потому, что для станков с такой производительностью необходимо большое количество заготовок-во-вторых, при неоднократном проведении шлифования опытных партии требуется автоматическая загрузка заготовок и выгрузка изде-. лии, что можно обеспечить только в действующем производстве. Наконец, немаловажным моментом являлась возможность получить в производственных условиях информацию о полном цикле шлифования, т. е. для предварительного и окончательного проходов.

Кольца шлифуются на двух последовательно работающих автоматах. Характеристики шлифовальных кругов и режимы резания для предварительного и окончательного шлифования одинаковы. Припуск на предварительное шлифование колеблется в пределах от 100 до 250 мкм. Допуск на наружный диаметр колец после предварительного шлифования составляет 30 мкм, овальность и конусообразность — не более 10 мкм. Припуск на окончательную обработку колеблется от 70 до 100 мкм. Допуск на наружный диаметр окончательно обработанных колец составляет 9 мкм, овальность и конусообразность — не более 6 мкм.

Были прошлифованы пять партии колец по 300 шт. каждая. У заранее пронумерованных колец измеряли наружный диаметр в двух сечениях после термообработки, предварительного и окончательного шлифования. Кольца шлифовали в порядке приданных им номеров. Математическую обработку результатов измерений производили по значениям диаметров Ютах и отклонений формы, за которые принимали значение max{dD тах «S)miaJ.

Полученные результаты для всех пяти партий оказались практически одинаковыми.

Диаграмма точности партии колец, отражающая уровень точности обработки наружной поверхности, представлена на рис. 2.4. График текущих значений наружного диаметра Ютах и? min после термообработки показан на рис. 2.4,а график этих же параметров после предварительного шлифования — на рис. 2.4,б после оконча! ГIГ4-.го5: ?о1ОР50и г100||1|1150 200 950СП гоЗоол/в кольцаДиаграмма точности наружной поверхности колец карданных подшипниковРис.2.4тельного шлифования — на рис. 2.4,в.

Зоны рассеивания размеров колец после указанных операции составляли соответственно 140,37 и 18 мкм. Распределение размеров не отклонялось существенно от нормального закона. Отклонения форш поперечного сечения после предварительного шлифования достигали 16 мкм, после окончательного — 12 мкм.

По результатам измерений диаметров колец были вычислены значения автокорреляционных и взаимнокорреляционных функций для операций предварительного и окончательного шлифования. При этом было выявлено значительное взаимное влияние размеров наружного диаметра одновременно обрабатываемых колец на их выходные размеры. Коэффициент корреляции % = 0,92.

Для определения влияния колебаний припуска было выдвинуто предположение, что с уменьшением зоны рассеивания размеров колец на входе операции будет сокращаться зона рассеивания размеров на выходе. Для экспериментальной проверки этого предположения была отобрана партия заготовок в количистве 700 шт., размеры которых распределялись в зоне допуска (равной 150 мкм) по закону, не уклоняющемуся существенно от нормального. Заготовки пронумеровали в порядке возрастания размеров наружного диаметра и подвергли предварительному шлифованию в порядке их номеров. Таким образом, в каждый момент времени в зоне резания шлифовального автомата находились заготовки, входные размеры которых не различались более, чем на 20 мкм.

После предварительного шлифования измеряли в двух сечениях наружные диаметры колец и по значениям З^тах и <$т[п каждого кольца построили диаграмму точности, показанную на рис. 2.5а. Величина зоны рассеивания размеров диаметров колец составила 18 мкм, т. е. оказалась в 1,6 раза меньше зоны рассеивания, которая наблюдалась при шлифовании неупорядоченной партии заготовок. Отклоне35'ь (ХО36 3505)N= кольца|1|||1|||1|11|''|11'1|1|||1111[111||||1|1|1|111||!11[11||||1||[111^?/оо боо680 01Диаграмма точности наружной поверхности колец карданных подшипников, прошлифованных после предварительной сортировки по диаметруРис.2.5ния формы колец не превысили 10 мкм. Далее, кольца в порядке приданных им номеров были обработаны на автомате окончательного шлифования и также были измерены И) тах и 2) тш каждого кольца. По результатам измерений построен точностной график, представленный на рис. 2.56. Величина зоны рассеивания значений диаметра составила 7 мкм, отклонения формы колец не превышали 5 мкм.

Проведенный эксперимент нельзя считать исчерпывающим, однако он позволил выявить резко выраженную тенденцию к повышению точности шлифования с уменьшением зоны рассеивания размеров заготовок.

Количественная и качественная оценки проходного бесцентрового шлифования карданных подшипников позволяют сделать вывод о безусловном влиянии колебания припуска под обработку как для предварительного, так и для окончательного шлифования. Это влияние сказывается, прежде всего, на неравномерном снятии припуска вдоль ширины 1фуга, что вызывает увеличе ние сил резания и, соответственно, отжим шпинделей в опорах. В результате, нарушается конфигурация зоны резания, что способствует формированию отклонений формы колец от круглости и прямолинейности.

2.3. Влияние неуравновешенности шлифовального круга на точность обработкиПри шлифовании, в результате неравномерного износа и осыпания шлифовального круга, неравномерной пропитки его охлаждающей жидкостью, возникает и развивается неуравновешенность шлифовального круга, следствием которой являются колебания на его оборотной частоте. Влияние этих колебаний на точность обработки неоднозначно, зависит как от типа станка, так и от обрабатываемой детали. При этом надо иметь в виду, что станки для проходногобесцентрового шлифования имеют портальное расположение шпинделяшлифовального крута и, следовательно, две опоры, жесткость которых неодинакова ввиду конструктивных особенностей. Кроме того, у каждой из опор обрабатываются изделия, неодинаковые по своим качественным характеристикам: у задней опоры — это заготовка с большими колебаниями припуска и погрешностей формы, у передней — почти готовое высокоточное изделие. Вследствие указанных причин, колебания от дисбаланса у каждой из опор происходят не только с различной амплитудой, но и не всегда совпадают по фазе, т. е. возможно проявление как статической, так и моментной неуравновешенности. И в том, и в другом случае колебания, вызванные неуравновешенностью шлифовального крута, изменяют относительное положение заготовки, ведущего и шлифовального круга и способствуют образованию погрешностей формы продольного и поперечного сечений. Определить, как влияют колебания, вызванные дисбалансом, на точность обработки, и на какие параметры точности больше всего оказывают влияние, можно только экспериментально.

Многие авторы работ [22,38, 73 ]посвященных специально вопросам теории и практики балансировки, отмечают, что в процессе шлифования колебания от неуравновешенности круга растут, причём неравномерно, и оказывают существенное влияние на точность и качество обработанной поверхности, уменьшают стойкость инструмента. По данным работы [22.] при проходном бесцентровом шлифовании волнистость увеличивается с ростом дисбаланса в 1,4 раза. При окончательном шлифовании поршневых пальцев наблвдалось увеличение отклонения от круглости с 2 до 2,8 мкм при общем росте колебаний от неуравновешенности шлифовального крута. В работе ?38? отмечено, что при колебаниях бабки на оборотной частоте круга с амплитудой от 1,5 до 4 мкм отклонение от круглости возрастает от 0,5 до I мкм.

Все рассмотренные работы подтверждают наличие влияния дисбаланса на точность и качество обработки, что является необходимым, но не достаточным условием для создания системы управления процессом проходного бесцентрового шлифования. Необходимы количественные характеристики в узких пределах вариации, а именно, — амплитуды колебаний от дисбаланса в плоскостях передней и задней опор шлифовального круга и их фазовые соотношения, позволяющие судить о виде и величине погрешности формы обрабатываемой детали.

2.3.1. Методика экспериментального исследованияОбъектом исследования по данному вопросу была технологическая операция окончательного шлифования поршневых пальцев диаметром 50 мм, длиной 110 мм на станке мод. Л297С1 с гидростатическими подшипниками в опорах шпинделей шлифовального и ведущего кругов. Эскиз детали до обработки показан на рис. 2.6, после обработки — на рис. 2.7.

Колебания от дисбаланса оценивались по абсолютным колебаниям шлифовальной бабки и колебаниям шейки шпинделя в гидростатической опоре. Схема измерения и расположения датчиков показана на рис. 2.8. Измерения на бабке I шлифовального круга 2 проводились с помощью датчиков 3, установленных в плоскости среднего сечения карманов гидростатических подшипников передней I и задней П опор. При этом использовалась виброизмерительная аппаратура фирмы: виброизмеритель 5М211 и пьезометрические датчики колебаний КД-35. Колебания шеек шпинделя регистрировались с помощью тензометричес-ких гидравлических датчиков оригинальной конструкции (подробное описание см. 4.3.3), встроенных в карманы 4 гидростатических подшипников. Сигнал с датчиков поступал на универсальный трехканаль-ный усилитель ИМ-131. Все колебания, — и корпуса бабки, и шеек шпинделя, — записывались шлейфовым осциллографом Н-115 на свето0.2*45Овальность поверхности (i) до более 0*005 мм Конус ообразность поверхности (I) не йолее 0,003 ш Седлообразнооть поверхности @ не более 0,005 ммЭскиз заготовки Рио.2,6Овальность поверхности (Т) не более 0,002 мм Конусообразноеть поверхности (Т) не более 0,002 ш Седлообразноеть поверхности (I) не более 0,002 мм Некруглость поверхности (Т) не более 0,002 мл на приборе «Талиронд «Эскиз обработанной детали Рис. 2.7Схема измерения и расположения датчиков при оценке неуравновешенности шлифовального кругаРис.2.8чувствительную бумагу. Синхронная запись колебаний шеек шпинделя в горизонтальной и вертикальной плоскостях через дифференциальные гидравлические датчики по схеме, приведенной в четвертой главе, дала возможность построить траектории перемещения оси шпинделя одновременно в передней и задней опорах.

Статическая и моментная неуравновешенность создавалась с помощью тарированных по массе грузов 5, которые помещались в пазы планшайбы шлифовального круга. Минимальная масса груза, на которую заметно реагировала система оказалась равной 20 Г. Каждая следующая масса подбиралась в два раза большей. По предварительным расчетам было определено, что масса груза в 250 г развивает центробежную силу на радиусе установки 180 мм примерно 71,25 кг. Это значение близко к критическому, при котором, исходя из жесткости подшипников, зазор в гидростатической опоре закрывается на ¾. Массы нагружения и соответствующие им центробежные силы приведены в таблице 2.1.

В каждом опыте шлифовалось по 5 опытных партии поршневых пальцев. Каждая партия состояла из 100. 150 деталей. В конце шлифования опытной партии бралась контрольная выборка из 15 последовательно обработанных деталей таким образом, чтобы последняя деталь выборки была снята со станка в сплошном неразрывном столбе обрабатываемых заготовок. Перед шлифованием опытной партии обрабатывалось 50.100 шт. поршневых пальцев, чтобы войти в установившийся режим. Каждому опыту предшествовали тщательная балансировка шлифовального круга до минимально возможного значения амплитуды колебаний шлифовальной бабки, затем правка круга и окончательная балансировка. Таким образом в каждой партии начальные исходные условия были одинаковые. Минимальный уровень амплитуды колебаний шлифовальной бабки при этом не превышал 0,3 мкм, отклонение от круглоети — 0,8 мкм.

Обработанные выборочные детали измерялись по следующим параметрам: — отклонение от круглоети на приборе Талиронд, фильтр «В» — волнистость в поперечном сечении на приборе Талиронд, фильтр «С» — отклонение от прямолинейности профиля продольного сечения на приборе Талилин.

Каждому опыту соответствовала запись на осциллограмму колебаний корпуса шлифовальной бабки на передней и задней опорах, а также колебаний шпинделя в гидростатических опорах.

Колебания шеек шпинделя в гидростатических опорах происходят с той же закономерностью, т. е. с увеличением дисбаланса амплитуда растет (рис. 2.10). Однако характер и величина роста здесь иные. Во-первых, больше амплитуда колебаний при статической неуравновешенности (8 и 10 мкм) — во-вторых, изменение амплитуды колебаний в передней опоре происходит, при тех же условиях, менее интенсивно, чем в задней, что вызывает угловые смещения> ИIIгмМ’Ю*Д г-мм-Ю*•3,6 12График зависимости амплитуды колебаний бабки шлифовального круга от величины и вида неуравновешенностиРис.2.9Ц^пмм-К?3,6 7,2??5 Дг-мм-ЮГрафик зависимости амплитуды колебаний щеек шпинделя в гидростатических опорах от величины и вида неуравновешенностиРис.2.10кромки шлифовального круга и переориентацию зоны обработки (шлифовальный круг вместе с осью принят абсолютно жестким).

В результате такого сложного характера перемещения оси шпинделя изменяется и положение режущей кромки шлифовального круга, изменяется мгновенный съём, мгновенный натяг в системе, причём изменения эти происходят неравномерно по ширине круга.

Изменения относительного положения (главным, образом углового) между заготовкой и шлифовальным кругом вследствие его колебаний от дисбаланса на оборотной частоте способствуют формированию сложного характера погрешности формы профиля продольного сечения. Можно отметить, что во всех опытах, где не наблюдался фазовый сдвиг колебаний оси шпинделя в передней опоре относительно задней, отклонение от прямолинейности профиля продольного сечения не превышает I мкм, в основном эта величина колеблется в пределах 0,3.0,5 мкм. И только при величине дисбаланса свышео30−10 г. мм и наличиии фазового сдвига колебаний (моментная неуравновешенность) происходит заметное приращение отклонения от прямолинейности. При шлифовании в этих условиях на всех деталях наблюдается так называемый продольный винт, т. е. скручивание поперечного сечения вдоль образующей. Измерение отклонения от прямолинейности на таких деталях весьма сложно и носит скорее качественный характер, чем количественный. Наличие винтового сдвига на деталях обусловливает участки выступов и впадин с разной высотой микронеровностей. В работе не ставилась задача исследования шероховатости поверхности, но в данном случае, ввиду сложной формы профиля продольного сечения, для оценки его определялась шероховатость на профилографе-профилометре. Величины параметра Яа на участках выступов и впадин существенно отличаются друг от друга. Не всегда представлялось возможным усреднять эти значения даже в пределах одного измеряемого участка, поэтому на рис. 2.14 показана картина полей рассеивания значений К, а на высЗависимость огранки, волнистости и шероховатости от амплитуды дисбалансаРис.2.14 ¦тупах и впадинах в зависимости от амплитуды колебаний оси шпинделя в передней и задней опорах.

На графике рис. 2.14 показана также зависимость погрешностей формы поперечного сечения (огранка, волнистость) от амплитуды колебаний оси шпинделя при его динамической неуравновешенности. Здесь прослеживается отсутствие влияния величины дисбаланса на волнистость поверхности и неоднозначная зависимость огранки: не всегда увеличение амплитуды колебании вызывает увеличение погрешностей формы поперечного сечения.

Уже отмечалось, что образование формы поперечного сечения носит частотный характер. Результаты данного эксперимента еще раз подтверждают это. Очевидно, колебания на оборотной частоте шлифовального крута (порядка 20гц) не влияют непосредственно на формирование высокочастотных составляющих спектра некрутлости поперечного сечения, но через амплитудно-фазовую частотную характеристику станка дисбаланс приводит к росту амплитуды колебаний на резонансных частотах, и, таким образом, сказывается на всех составляющих некрутлости. В пределах всего эксперимента волнистость поверхности (црибор Талиронд, фильтр С) находилась в пределах 0,6.0,8 мкм. Иначе обстоит дело с огранкой. Можно сказать, что статическая неуравновешенность не влияет на величину огранки (рис. 2.15), но количество граней на поверхности может быть различным (встречаются 0 и 5). При наличиии моментной неуравновешенности с увеличением дисбаланса огранка всегда растет (рис. 2.16 и 2.17) и наблюдается цри этом 0, 5 и 8 граней.

Моментной неуравновешенности шлифовального круга всегда сопутствует фазовый сдвиг колебаний на входе и выходе зоны обработки. Очевидно, соотношения фаз колебаний круга на входе и выходе, а также колебаний самой заготовки на поверхности ножа, определяют формирование того или иного количества граней профиля поперечного сечения при прочих равных условиях.

Зависимость огранки и волнистости от амплитуды колебаний при статической неуравновешенностиРис.2.15Зависимость огранки и волнистости от амплитуды колебанийо при сдвиге их фаз в 1-ой и П-ой опорных плоскостях на 90Рис.2.16Зависимость огранки и волнистости от амплитуды колебаний при сдвиге их фаз в 1-ой и П-ой опорных плоскостях на 180иРис.2.17Анализируя результаты проведенного исследования с точки зрения управления качеством обработки, необходимо подчеркнуть, что амплитуда колебаний бабки шлифовального круга от его неуравновешенности не является достаточной информацией для оценки вида и величины формирующихся в процессе обработки погрешностей, что исключает возможность выбора необходимой стратегии управления точностью обработки. Поскольку неуравновешенность шлифовального круга вызывает изменение его текущего положения относительно заготовки как на частоте вращения, так и на других частотах, обусловленных динамической характеристикой станка, необходимо измерение величин относительных смещений между заготовкой и кругом с учетом фазового сдвига между колебаниями в передней и задней опорах.

2.4. Влияние состояния шлифовального и ведущего кругов на процесс резанияНа бесцентровошлифовальных проходных станках два абразивных крута: шлифовальный и ведущий. Шлифовальный круг вращается с частотой 1000.1200 об/мин, у ведущего круга частота вращения значительно меньше и колеблется в пределах 20.60 об/мин в зависимости от требуемой производительности. Ведущий круг изнашивается медленно и правится значительно реже, поскольку он не несет нагрузки по резанию, а является базовым элементом. Однако, ведущий круг имеет сложный профиль гиперболоида вращения, точность формы которого влияет на точность обработанных деталей ?35 59,78У. Ведущий круг при работе должен иметь непрерывный, прямолинейный контакт со столбом заготовок. Это не всегда удается ввиду его пространственных разворотов в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Подробный математический анализ процесса правки ведущего круга изложен в литературе /35/. Сложность приведенных формул, необходимость математических расчетов для каждой конкретной детали не дают возможности применить этот интересный материал на практике. Тем не менее, при рассмотрении процесса проходного бесцентрового шлифования этот вопрос нельзя полностью исключить и он требует своего решения (см. гл. У).

Шлифовальный круг правят гораздо чаще с целью поддержания его режущей способности в течение всего периода эксплуатации. Под действием сил резания и высоких температур шлифовальный круг неравномерно изнашивается, теряет свою первоначальную геометрическую форму, что влияет на точность и качество обработанных изделий. В процессе правки восстанавливается первоначальная форма круга, в результате чего зоне резания придаётся её исходная конфигурация, рассчитанная при наладке станка. Периодическая правка шлифовального круга снижает производительность, поскольку требует затрат рабочего времени, и увеличивает расход абразивного инструмента. Поэтому вопросы периодичности и режима правки шлифовального крута являются очень важными для проходного бесцентрового шлифования.

Существует много способов и методов определения периода стойкости крута ?77]. В основном они предназначены для шлифовальных станков, работающих по замкнутому циклу. На многих современных проходных беецентровошлифовальных станках процесс правки можетбыть автоматизирован, так называемая принудительная правка, когда шлифовальный круг правится через заранее установленные промежутки времени. Устанавливается периодичность правки с помощью реле времени, а время выдержки, как правило, определяется на основании опытных данных, полученных в результате эксплуатации. Эти сведения весьма разноречивы. Так, например, на станке «Твин-Грип 340−20» фирмы Цинциннази с шириной круга.500мм правка производится автоматически за один проход алмаза через каждые 15 мин. безотвода шлифовального круга и без прекращения осевой подачи заготовок. На наших станках для проведения правки в большинстве случаев круг отводится от шлифуемых деталей. Периодичность правки встречается самая разнообразная. Есть примеры работы с принудительной правкой через 20.30 минут шлифования, но часто работают без правки крута и по несколько часов.

Из всего этого следует, что одной из основных задач успешного шлифования является определение момента, когда нужно править кругмомента, рационального с точки зрения производительности и получения требуемых параметров точности обработки. Но, при прочих важных условиях (производительность, расход абразива и т. д.), главными показателями, ограничивающими время работы крута от правки до правки, являются выходные параметры точности и качества обработанных деталей. Именно поэтому мнения многих исследователей сходятся на том, что для управления процессом шлифования лучше всего измерять параметры точности и качества шлифованной поверхности /17, 24, 47]. Для процессов шлифования, работающих по замкнутому циклу, имеется множество устройств активного контроля, с помощью которых осуществляется принудительная правка 47, 59 2 шлифовального круга. Для проходного бесцентрового шлифования принудительная правка обычно осуществляется через определенное количество обработанных деталей, которое устанавливается предварительннм шлифованием пробных партий. При этом время между правками не определяет оптимальных условий шлифования, т.к. детали постоянно меняются по величине припуска и физико-механическим свойствам, а шлифовальные круги также имеют разброс своих характеристик.

Во многих работах приводятся частные зависимости, устанавливающие связь меаду стойкостью круга и отдельными технологическими факторами? 47., 67, 68 J. Иногда используются косвенные показатели (сила резания, мощность шлифования, амплитуда колебаний отдельных узлов и т. д.). Но в любом случае необходимы количественные связи этих показателей с параметрами точности обработки.

Условия работы шлифовального круга при проходном бесцентровом шлифовании намного сложнее, чем в любом циклическом процессе. Во-первых, здесь в зону резания постоянно входит новая заготовка с отличающимися от предыдущих припуском и формой продольного и поперечного сечений, что создает колебательный характер входных возмущений. Во-вторых, несмотря на то, что зона резания настраивается на равномерный съем припуска по ширине крута, это условие не выполняется. Колебания припуска и сил резания, температурные деформации вызывают различные по величине и направлению отжимы шпинделя в опорах шлифовальной бабки, что вызывает переориентацию осей ведущего и шлифовального кругов и изменение, в свою очередь, положения столба деталей. Равномерность съема припуска нарушается. В результате действия перечисленных, неоднородных по характеру и времени проявления, возмущающий износ и затупление широкого шлифовального круга происходит неравномерно по ширине и не строго периодически во времени.

В рамках данной работы был проведен эксперимент по исследованию характера и степени затупления широкого шлифовального круга с целью определения критериев его стойкости. Шлифовались детали типа поршневой палец в течение периода стойкости круга, от правки до правки. Всего было прошлифовано 10 партий. Каждая партия шлифовалась в течение 2−2,5 часов работы станка без правки крута, но с периодической, через каждые 30 мин., остановкой шлифовального круга для записи профиля его поперечного и продольного сечения. Во время шлифования со станка, через каждые 15 мин., брались выборки деталей объемом в 5 шт. для контроля по параметрам: отклонение от круглости поперечного сечения и отклонение отпрямолинейности профиля продольного сечения в соответствии с методикой п. 2.3. Результаты измерений подвергались статистической обработке для нахождения средне-арифметического значения и сред-не-квадратического отклонения контролируемых параметров.

Схема устройства для записи формы шлифовального круга показана на рис. 2.18. Для записи профиля шлифовального круга использовался бесконтактный индуктивный датчик I фирмы ЯРТ встроенный в специальный корпус, несущий цилиндр из твердого сплава, который непосредственно контактирует с поверхностью абразива. Устройство в сборе устанавливалось на направляющие 2 прибора правки, таким образом получая возможность перемещения вдоль ширины круга. Для записи поперечного сечения круг вращался от специального привода со скоростью I об/мин. Сигнал с датчика поступал на универсальный усилитель ИМ-131 и записывался шлейфовым осциллографом Н-115 на ультрофиолетовую бумагу.

Перед шлифованием очередной партии круг правился и балансировался до минимально возможного значения (амплитуда колебаний бабки составляла 0,4.О, 8 мкм). В процессе шлифования диаметр обрабатываемой детали держали в поле допуска с помощью размерной подналадки. По результатам измерения выборочных деталей построены точностные диаграммы отклонения от крутлости и отклонения от прямолинейности профиля продольного сечения, представленные на рис. 2.19 и 2.20. Решение об окончании шлифования принималось при возникновении повышенных колебаний бабок шлифовального и ведущего крутов, сопровождавшихся звуковым гулом. Как видно на точностных диаграммах, резкого ухудшения контролируемых параметров за это время не произошло. Отклонения от круглости и прямолинейности очень быстро, примерно через 10 мин. работы, достигли предельных значений (3.4 мкм), но в дальнейшем не увеличивались (не считая единичных выбросов). Для данного типа станков, работающих в сосСхема устройства для зашей формы шлифовального кругаРис.2.18Д21мкм600 Ш? Ш) N дет.

Диаграмма отклонений от круглости за период шлифования от правки до правкиРис.2.19А/1№М6″ 5600 1200 /800. М дет.

Диаграмма отклонений от прямолинейности профиля продольного сечения за период шлифования от правки до правкиРис.2.20таве автоматических линий, 10 мин. работы — это явно не достаточный период времени, чтобы править шлифовальный круг. Кроме того, нет однозначной зависимости, подтверждающей^что ухудшение точности формы произошло в результате износа и затупления шлифовального круга. Обратимся к профилограммам продольного сечения шлифовального круга (пример записи на рис. 2.21а). Некоторый наклон самой линии записи объясняется погрешностями установки по высоте направляющих прибора правки. Разновысотность между входом и выходом станка составляет 23 мкм. Через 30 мин. работы наблюдается уже заметный износ и осыпание круга на входе заготовок. Этот участок составляет примерно 1/5 часть всей ширины, остальная же часть круга практически не изменилась по форме. В дальнейшем, процесс износа и осыпания развивается вдоль ширины круга и к концу шлифования достигает примерно 2/3 ширины круга. Таким образом, к моменту окончания нашего шлифования, когда появляются повышенные вибрации и гул, круг режет практически 1/3 всей своей ширины, эта 1/3 абразива воспринимает на себя все нагрузки по резанию: увеличивается удельный съем на зерно, растут силы резания и температура. Записи профилограмм формы круга даны в приложении I.

Помимо износа вдоль ширины, шлифовальный круг изменяет и форму поперечного сечения. После окончания шлифования записывалась форма поперечного сечения круга в трех точках по ширине: на входе, в середине и на выходе. Осциллограммы записи формы поперечного сечения в развернутом виде представлены на рис. 2,216. Один оборот круга фиксировался по отметчику, установленному на планшайбе. Во всех сечениях крута вдоль его ширины наблюдается одна и та же форма его выработки: после шлифования круг становится овальным. Запись поперечного сечения крута после правки показывает, что и до работы шлифовальный круг имеет форму овала, а) ПРОДОЛЬНОЕ СЕЧЕНИЕПОСЛЕ ПРАВКИ/ЧЕРЕЗ 1.5ЧАСА РАБОТЫТЕЛО КРУГА§-) ПОПЕРЕЧНОЕ СЕЧЕНИЕПОСЛЕ ПРАВКИЭДЛОДНАЯ ЧАСТЬМ' 1 мм = 2мкмсерелинавыходЧЕРЕЗ^1.5 ЧАСА РАБОТЫоо о>ОРМА ШИРОКОГО ШЛИФОВАЛЬНОГО КРУГАРИС. 2.21только с меньшей величиной овальности, т. е. крут изнашивается в соответствии с колебаниями на частоте дисбаланса. В процессе шлифования амплитуда колебаний от дисбаланса растет (хотя в нашем эксперименте и незначительно) и круг также неравномерно изнашивается в поперечном сечении, увеличивая исходную овальность.

Вполне возможно, что если в течение рассматриваемого отрезка времени проводить автоматическую балансировку шлифовального круга на ходу и управлять положением его режущей кромки (или положением его оси, что в конечном счете одно и то же) таким образом, чтобы не изменялась конфигурация зоны резания и сохранялась равномерность съема припуска по всей ширине круга, то период стойкости, — время между правками, — можно увеличить. При этом стабилизируются и погрешности формы обрабатываемых деталей, поскольку форма поперечного сечения крута непосредственно влияет на некруглость детали, а изменение положения режущей кромки — на продольную геометрию.

Совершенно очевидно, что в данном процессе нецелесообразно для определения момента правки шлифовального крута измерять погрешности формы обрабатываемых деталей, поскольку не всегда ухудшение точности обработки связано с критическим износом и затуплением круга. Иногда это может быть вызвано появлением в зоне резания детали с резко завышенным или заниженным припуском, что приводит к мгновенному изменению конфигурации зоны резания и формированию погрешностей формы рядом обрабатываемых деталей. В другом случае это может быть увеличение амплитуды колебаний шлифовального круга на частоте дисбаланса и, в этом случае, достаточно балансировки или изменения жесткости какого-нибудь узла. Однако, если вмешательство в процессе шлифования (балансировка, изменение жесткости, изменение частоты вращения ведущего крутаи др.) не дает желаемых результатов, не приводит к нормализацииусловий шлифования, то необходима правка шлифовального круга. Только в этом случае это будет уже единственно возможное и, слв' довательно строго обоснованное мероприятие по повышению точности обработки.

ВЫВОДЫ1. Процесс бесцентрового проходного шлифования как объект управления представляет собой сложную систему с большим количеством возмущающих воздействий, разнохарактерных по своей природе, по времени возникновения и по длительности их протекания.

2. Основным условием получения требуемой точности формы продольного и поперечного сечений обрабатываемых деталей является сохранение во времени взаимного относительного положения об-рабатывамой детали, шлифовального крута и базовых элементов (ведущего круга и ножа), положения, принятого расчетной наладкой станка, исходя из требований по точности и производительности обработки.

3. К основным возмущающим воздействиям, так или иначе влияющим на изменение параметров наладки, а значит и точность обработки относятся: колебания припуска на заготовке-ЛФшк (Ь) — изменение режущих свойств шлифовального круга— периодические возмущения от погрешностей геометрической формы заготовки- - неуравновешенность шлифовального круга.

4. Колебания припуска на заготовке ^(Ь) вызывают увеличение сил резания (главным образом радиальной составляющей) и, соответственно, отжим шпинделей в опорах, пропорциональный жесткости опорных стыков, что, в свою очередь, способствует переориентации зоны резания и появлению погрешностей формы продольного и поперечного сечений в виде отклонений от прямолинейности и круглости.

5. Изменение режущих свойств шлифовального крута. ушк^) проявляется в виде износа абразива и его засаливания, загрязнения отходами шлифования, т. е. потерей кругом режущих свойств, что также приводит к увеличению сил резания и изменению конфигурации зоны резания на величину износа и суммарных упругих смещений в опорах. При этом образуются погрешности формы продольного и поперечного сечений деталей.

6. Неуравновешенность шлифовального крута вызывает изменение его текущего положения относительно заготовки как на частоте его вращения, так и на других частотах, обусловленных динамической характеристикой станка. При этом между колебаниями в передней и задней опорах имеет место фазовый сдвиг. Образующиеся в результате неуравновешенности погрешности формы носят частотный характер.

7. Каждый вид возмущающих воздействий, влияющий на точность обработки при бесцентровом проходном шлифовании, вызывает одинаковые по характеру отказы, — изменение относительного положения обрабатываемых деталей, шлифовального и ведущего кругов. Но при этом, в зависимости от частоты этих возмущений, формируются различные погрешности формы продольного и поперечного сечений.

8. Каждый вид образующихся погрешностей требует самостоятельного контура управления в зависимости от возмущений, его вызвавших. При этом, на основании вышеизложенного, исходной информацией для такого управления может быть информация о текущем положении базовых и формообразующих элементов.

3. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ ФОРШ ПРИ ПРОХОДНОМ БЕСЦЕНТРОВОМ ШЛИФОВАНИИАнализ технологических факторов, влияющих на точность обработки при проходном бесцентровом шлифовании, показал, что все возмущающие воздействия в конечном итоге изменяют относительное положение базовых элементов (ведущий круг и нож) и шлифовального круга. Изменения эти могут происходить с различной частотой, иметь непрерывный характер или периодический с различной длительностью. При некоторых возмущениях оси ведущего и шлифовального кругов могут изменять и свое угловое положение. Так, например, при момент-ной неуравновешенности шлифовального круга колебания его оси в передней и задней опорах происходят со сдвигом фаз, вызывая изменение конфигурации всей зоны обработки. В любом случае формирование отклонений размеров и погрешностей формы на заготовке непосредственно связаны с изменениями во времени относительного положения базовых и шлифующих элементов.

Таким образом, можно построить систему управления точностью обработки на базе одного источника информации, обладающего многопараметрической информативностью,-датчика мгновенного относительного положения кругов в пространстве в любой текущий момент времени.

Для разработки такой системы необходимо решить комплекс задач о детерминированности связей относительного положения кругов и отдельных параметров точности обработки, что требует теоретического анализа процесса образования погрешностей формы при проходном бесцентровом шлифовании.

3.1. Анализ погрешностей формы и процесса их образованияТочность изготовления детали можно оценить по отклонениям от заданных в пространстве формы и положения образующей и направляющей производящих лшшй поверхности. Методы бесцентрового шлифования различаются по способам получения производящих лшшй поверхности и, в связи с этим, достижимой точностью обработки.

При шлифовании методом «врезания» обрабатываемая поверхность образуется как след движения прямолинейной образующей по круговой направляющей. При этом образующая линия поверхности получается методом копирования, а направляющая — методом касания (рис. 3.I, а).

При шлифовании «на проход» процесс формообразования можно представить как движение круговой образующей по прямолинейной направляющей. Причем образующая линия поверхности получается методом касания, а направляющая — методом «следа» (рис. 3.1,б).

Различие в методах получения производящих линий поверхности обусловливает различное влияние возмущающих факторов на зону обработки, и появление различного вида погрешностей формы при обработке. Так, например, наличие относительных колебаний между инструментом и заготовкой приводит в первом случае к появлению погрешности форглы только направляющей линии поверхности, а во втором — к погрешности формы обеих производящих линий. Б то же время статическая деформация зоны обработки вследствие отжимов кругов оказывает одинаковое влияние на процесс формообразования: при шлифовании методом «врезания» и методом «на проход» возникают отклонения от прямолинейности и заданного положения соответственно образующей и направляющей линий поверхности. Эти обстоятельства вызывают необходимость рассмотрения процесса формообразования при бесцентровом шлифовании как динамического и подчеркивают необходимость изучения динамики формообразования.

Процесс бесцентрового проходного шлифования сопровождается явлениями разнохарактерными не только по причинам их возникновения, но и по времени протекания. Среди наиболее важных факторов, влияющих на точность обработки, молено выделить: I • • ' «Су,: «' *'?7'.

Г Г !¦ ¦• ' Ч ' 'x «ув)Способы получения обрабатываемой поверхности деталей при шлифовании а) методом «врезания», б) «на проход» со гоРис.3.1а) изменение параметров наладки станка в процессе резания, т. е. изменение взаимного относительного положения базовых поверхностей (ведущего круга, опорного ножа) и шлифовального круга-б) износ базовых поверхностей (ведущего круга и ножа) -в) износ шлифовального круга.

Эти три фактора можно рассматривать как основные возмущающие воздействия на процесс формообразования.

Формообразование образующей и направляющей линий поверхности происходит с различной длительностью, что позволяет провести условное частотное разделение возмущающих воздействий по их влиянию на процесс формообразования.

Время, необходимое для формообразования образующей линии в каком-либо сечении зоны обработки детали равно времени одного оборота детали:%> Т-?? (3.1)п}где Н.^. — частота вращения детали, об/мин.

Время, необходимое для формообразования направляющей линии детали равно времени прохождения детали через какое-либо сечение зоны обработки:9 (3.2)fSnpob.где ^ - скорость продольного движения подачи, мм/мин.-Рл — длина детали, мм.

Величины (I) и (2), определяющие длительность процесса формообразования, назовем параметрами формообразования, которые могут быть выражены через параметры технологической наладки станка60с1д «У бО (и (3 3) где ¿-у, — диаметр детали, мм— частота вращения ведущего круга, об/мин- ¡-¡-}$к — диаметр ведущего круга, мм-Л — угол разворота оси ведущего круга по отношению к осио детали в вертикальной плоскости. Весь спектр частот возмущающих воздействий с учетом параметров формообразования (3) можно разделить на два частотных диапазона.

К первому, низкочастотному диапазону отнесем процессы, максимальная частота которых не превышает величину/V — % (3−4)и которые, вследствие этого, определяют отклонения от заданных формы и положения направляющей линии поверхности.

Вид и величина погрешностей при этом зависят от частоты, амплитуды и фазы колебаний (рис. 3.2.). Погрешность формы продольного сечения оценивается максимальной величиной &-н отклонения профиля направляющей от прилегающей прямой, а размерная погрешность, в том числе конусообразность — как разность между максимальным и минимальным значениями радиуса: АЪ — 1/лах ^/пиг (3.5)Следует отметить, что относительные колебания этого частотного диапазона в некотором интервале частот от 0 до вызывают дополнительное изменение размера детали. Граничная частота определяет появление погрешности формы направляющей в виде волнистости и отсутствие дополнительной размерной погрешности. Величина граничной частоты зависит от длительности процесса формообразования направляющей линии поверхности и равна:/'г, — % (3Процессы, протекающие с частотой, большей вызываютОбразование погрешностей формы направляющей линии поверхности деталиРис.3.2Образование погрешностей формы образующей линии поверхности деталиРис.3.3появление погрешностей образующей линии поверхности йо. Отнесем эти процессы ко второму частотному диапазону.

Кинематика формообразования шлифовальным кругом обусловливает изменение вида погрешности при изменении частоты относительных колебаний. Погрешность формы в виде отклонения от круглости образующей линии поверхности начинает уменьшаться при достижении граничной частоты величина которой зависит от параметров технологической наладки и определяет начало перерезания волны шлифовальным кругом (рис. 3.3). Если круговая частота колебаний равна СО то граничная частотаПри этом круговая частота Сй определяется соотношением радиусов шлифовального круга и детали, и зависит от амплитуды колеКроме отклонений от круглости образующей линии относительные колебания второго частотного диапазона могут, при определенных условиях, вызвать дополнительную составляющую погрешности формы направляющей линии поверхности. Такое явление возникает, когда колебания входного сечения зоны обработки не совпадают по фазе с колебаниями выходного сечения. При этом происходит сдвиг по фазе волны образующей линии в сечениях вдоль направляющей линии поверхности (рис. 3.4).

Величина дополнительной составляющей погрешности формы направляющей линии изменяется при изменении соотношения фаз колебаний на входе и выходе зоны обработки.

Принятое разделение динамических возмущающих воздействий на зону обработки по частотным диапазонам позволяет расматривать процессы формообразования образующей и направляющей линий поверх (3.7)баний самой детали и её окружной скорости Уо где60Образование погрешностей формы при сдвиге фаз колебаний на входе и выходе зоны обработкиРис.3.4.ности раздельно.

Относительные колебания первого частотного диапазона вызывают погрешности направляющей линии поверхности. Если частота этих колебании меньше граничной возникает погрешность формы и отклонения от заданного размера. Высота волны направляющей линии меньше удвоенной амплитуды колебаний. Если частота колебаний большевысота волны равна удвоенной амплитуде колебаний, а дополнительная составляющая размерной погрешности равна нулю.

Относительные колебания второго частотного диапазона вызывают погрешности образующей линии поверхности. Если частота колебаний меньше граничной возникает погрешность формы образующей в виде отклонения от круглости. Величина этого отклонения равна удвоенной амплитуде колебаний. Если частота колебаний больше — отклонение от круглости уменьшается и появляется дополнительная составляющая размерной погрешности обработки. Несовпадение фаз колебаний во входном и выходном сечениях зоны обработки приводит к появлению дополнительной составляющей погрешности формы направляющей линии поверхности.

Оценивая точность обработки по отклонениям от заданных формы и положения производящих линий можно определить допустимые значения параметров возмущающих воздействий.

3.2. Математическая модель процесса формообразования направляющей линии поверхности детали (продольная геометрия) Рассмотрим процесс формообразования продольной геометрии предполагая, что статическая, расчетная наладка станка обеспечивает заданный размер и нулевые отклонения от номинального положения и прямолинейности направляющей линии поверхности. Это возможно в том случае, если ось заготовки при прохождении ею зонырезания остается параллельной оси шлифовального круга, ось шлифовального круга не изменяет положения, принятого наладкой, а сам круг не изнашивается.

Б реальных условиях возмущающие воздействия приводят к изменению во времени взаимного положения базовых поверхностей и шлифовального круга. Поэтому завершающая стадия процесса формообразования в калибрующей зоне не может рассматриваться как прохождение заготовки через некоторое сечение, расположенное на выходе из зоны обработки, хотя в идеальном случае это и было бы справедливо, поскольку процесс снятия припуска на предыдущих участках зоны не является, строго говоря, процессом формообразования.

Размер каждого сечения заготовки при ее прохождении через зону обработки изменяется постоянно и определяет, в конечном итоге, геометрическую форму готовой детали. Причем, физическая сущность процесса формообразования обусловливает возможность только последующего уменьшения размера каждого сечения.

Условное распределение возмущающих воздействий по частотным диапазонам позволяет учитывать статические и динамические деформания размера каждого сечения заготовки во время прохождения ею зоны обработки.

Для того, чтобы учесть суммарное влияние таких разнородных факторов как износ шлифовального и ведущего кругов, износ опорного ножа, тепловые деформации зоны обработки и деформации под действием сил резания, закон их изменения во времени необходимо представить в частотном виде. Это возможно, если определить контур зоны обработки, т. е. взаимное положение определяющих её элементов и узлов станка в каждый текущий момент времени. Мгновенный контур зоны обработки определяется мгновенным взаимным положением и формой базовых поверхностей и шлифовального круга. За основную систему координат примем такую, у которой положение осей не зависитвключительно при расчете изменеот вариантов наладки и от возмущающих воздействии. Этому условию удовлетворяет система координат ХУ02 ось 2 которой совпадает с осью качания шлифовальной бабки (рис. 3.5).

Оси 2' 2″ и 2″ ' вспомогательных систем координат Х" У" 0″ г?'ъ Х" У'" 0″ '2'" совпадают соответственно с осями шлифовального круга, ведущего круга и столба деталей.

Мгновенные текущие координаты точек осей кругов вдоль зоны обработки можно определить, измеряя смещение осей 2' и 2″ в передних и задних опорах во вспомогательных системах координат, полагая, что сами оси являются абсолютно жесткими (рис. 3.6),&bdquo- (3-.8)где X/ К2. «Уг начальные значения координат точекО’ъО» -, АХ1 «/У' * йХ1' > /У» — проекции мгновенных смещений точекосей 2 и 2 на оси координат.

Хя Хау Х$- + Хпосу С.

Путем преобразования координат находим уравнение гиперболоидав основной системе координат.

Координаты центра 5 (Хо, Уо) (рис. 3.9) определяются из системы уравненийАхо+Ву.+Я^ОШ,+СУ.+Е=0, (з.22)решив которую получим: V — СЦ-В'Е^ЬЪ-Д'С (3.23)ья-СПри переносе начала координат в точку 5 уравнение (21) примет вид: Кривая второго порядка р (х, у), получаемая в сечении гиперболоидаРис.3.9М (ХбД](3%У,)Мгновенное положение заготовки в каком-либо сечении зоны обработкиРис. ЗЛОАХ* + 2йх9 + СЭ* + Р0, (3.24)где Р=])Хо+ЕУо+Р.

Учитывая, что 0.-0^ Р — половина расстояния между фокусами эллипса, найдем координаты фокусов эллипсаХч^Хо + ейар Уч=У0 + еС<�х>г, г, Л- (3.27)Мгновенное положение заготовки и ее размер в каком-либо сечении определены координатами центра заготовки Оъ [Хъ, Уз) координатами точки касания с ведущим кругом и ее радиусом Я3 (рис. 3.10). Радиус шлифовального круга в этом же сечении может быть определен как функция от координаты := (3.28)6йгде = ($ - припуск на обработку).

Для нахождения неизвестных составим уравнения, описывающие мгновенное состояние системы в некотором сечении.

4 Х3-Х6 (з.зз)гдеУравнение касательной к эллипсу, проведенной через точку М:-^(х-х^у-^о, (3.34)$=2Ах6 + 2вул + 23) ду1СУ& + 2ЬК6+2.Е.

Тогда (Су&+Зх6+Е)у = -ш&+&у?+1))х +Ах! + + 2&х6У6 ч-Шь+СУ?+?у6. (3.35)Угловой коэффициент касательнойи АХь+ВУь+Я (з.З6)Учитывая, что условие перпендикулярности прямых имеет видКг (3.37)получим условие перпендикулярности радиуса О^М и касательной к эллипсу в точке М: Для решения системы уравнения (29), (30), (31), (32), (38) методом простой итерации преобразуем ее к более удобному виду: Х^Ъ+Ъ+Ъ — !(Х3-Х1)&+(У3 -У,)* (з.з9)У3 =/?з +Х34игЛ +[/-Со$Л)У3 +тИтерационная формула решения системы (39) имеет вид: Хс «ТСЛ1 лг ^лз) где¿-=-.

Начальные значения /3 «можно найти, принимая М^ДУ^АХ'-йУ'Отщ*!^.

3.3. Математическая модель процесса формообразования образующей линии поверхности детали (поперечная геометрия) Наряду с низкочастотными возмущающими воздействиями, деформирующими зону обработки, при рассмотрении процесса формообразования необходимо учитывать высокочастотные воздействия. Существуют три основные причины появления относительных колебаний второго частотного диапазона. К ним относятся колебания шлифовального круга при его дисбалансе, некруглость шлифовального круга, некруг-лость заготовки и ведущего круга, вызывающая колебания заготовки на базовых поверхностях. Все вместе определяет возникновение погрешности формы образующей линии поверхности.

Форму образующей в любом сечении заготовки можно представить в математическом виде как сумму радиуса номинальной окружности заготовки и гармонических составляющих некруглости:+ ^ (зло)где Са)^ - круговая частота вращения детали, С «1-/Л — ЗьПвкЯвкноминальный диаметр детали, мм.

Амплитуда каждой гармоники, вполне определенная для заданных параметров технологической наладки, может быть найдена как результат взаимодействия элементов технологической системы: процесса резания (ПР), упругой системы (УС) и процесса формообразования (ПФ). На рис. 3.11 представлена структурная схема замкнутой системы, определяющей для заданных условий параметры точности детали. Кинематику процесса бесцентрового шлифования характеризуют ориентация упругой системы (углы наладки), изменение настройки У (№) и внешние силовые воздействия и)).

Рассматривая некруглость заготовки, её технологическую наследственность как главную причину изменения настройки, можно оценить проявление? — ой гармоники некруглости в точке касания заготовки со шлифовальным кругом, которое зависит от смещения детали на базовых поверхностях (рис. 3.12). Кроме того, колебания ведущего крута приводят к дополнительным смещениям заготовки, а колебания шлифовального круга к изменению толщины срезаемого слоя.

Подставив в уравнение (42) значения COt-Q и U) L—r[% получим систему уравненийAn? п =$ 4 (-ein %c-Coi?-dmjr2iCoifJ + AnCoi rn=AniU+Coor4u>ie + Coi fK u>if) +УеЧ UifwKi (3.45)решив которую можно найти амплитуду пт и фазу^. ¿—ой гармоники нокрутлости в разомкнутой системе.

Устойчивость системы относительно проявления Lой гармоники некруглости заготовки можно оценить, рассматривая замкнутую динамическую систему по связи с резанием и с дополнительными обратными связями (рис. 3.13). Устойчивость представленной системы «на частоте Lой гармоники определена ее передаточной функцией И/ которая равна отношению выходной координаты (величина некруглости на текущем обороте, А т) ко входной координате (величинаг— АэМкшк /ы)Ж®-WpБлок-схема замкнутой динамической системы стан ка для процесса образования некруглости деталиРис.3.13некруглости на предыдущем обороте) или внешнему воздействию .

Запаздывание и коэффициенты передачи для Сой гармоники на опорном ноже и ведущем круте определены передаточными функциямии/* и.

Из-за несовпадения основных осей координат станка с осями наладки в передаточных функциях упрутой системы и процесса резания учитываются соответствующие коэффициенты передачи. Кроме того, поскольку изменение сечения срезаемого слоя и вызванное этим изменение силы резания воздействует на процесс резания по двум различным обратным связям, проведено искусственное разделение упругой динамической системы на две независимые подсистемы.

Передаточная функция первой динамической подсистемы Д/у в которую входят станина — шлифовальная бабка — шлифовальный круг, с учетом коэффициента преобразования координат равна: М-ииии, (3.46)где У! шк — амплитудно-фазовая частотная характеристика (А Ф Ч X) шлифовального круга в опорах-IЛ/ш<�Г — А Ф Ч X шлифовальной бабки.

Во вторую динамическую подсистему входят станина — бабка ведущего крута — ведущий круг. Передаточная функция этой системы с учетом жесткого закрепления бабки равнаИ/г 23 И/^/1″, (3.47)где Мёк — А Ф Ч X ведущего круга в опорах-^Н — коэффициент преобразования осей координат в первой подсистеме-/24 — коэффициент преобразования осеЗ координат во второй подсистеме.

Передаточная функция процесса резания Мр является егоамплитднофазовой частотной характеристикой.

Вектором) обозначены внешние силовые воздействия на упругую систему, например, дисбаланс шлифовального круга.

Используя структурную схему рис. 3.13, можно определить величину некруглости на текущем обороте заготовкиш.' (3.48)Первый член в правой части выражения (48) определяет устойчивость процесса формообразования по отношению к исходной некруглости заготовки, которая является технологической наследственностью заготовки. При этом, если коэффициент при Ал (М)' * х > (3.49)то процесс формообразования считается устойчивым для гармонической составляющей некруглости 0 частотой СО •Второй член выражения (48) определяет устойчивость динамической системы по отношению к внешним силовым воздействиям, причем система становится неустойчивой, если (3.50)Поскольку величина+и//> иья м * иь- (з.51)является передаточной функцией разомкнутой системы, сформулируем с учетом выражений (49) и (50) условие устойчивости процесса обработки детали.

Для осуществления процесса шлифования необходимо, чтобы выполнялось условие устойчивости динамической системыДля исправления исходной некруглости необходимо, чтобы выподнялось условие устойчивости процесса формообразованияWp (Wf * wf+ wf. (3.53)Условия (52) и (53) являются необходимыми и достаточными условиями технологической надежности процесса бесцентрового шлифования.

Для определения величин амплитуды и фазы ¿—ой гармоники некруглости детали нужно рассчитать коэффициент исправления K? (49), зависящий от углов наладки и динамических характеристик упругих подсистем. С этой целью подставим в (45) значения? и fujfc выраженные через значения амплитуды Ат и фазы fT некрутлости заготовки на текущем обороте./чМп Тп =Ani (oin4>1LCoi?* ¿-Ш fZi См fj-'Annpinti-nnnPi niM^J-nnk&M^rMM И/у (3. и) где Ац. c? i?. Azi? z? • -Api. fpi — амплитудные и фазовыезначения передаточных функций W/, W? Wp на*частоте iой гармоники.

Условие определяющее линейность или нелинейность процесса резания зависит от параметров технологической наладки. Если величину глубины резания определить как величину радиальной подачи на один оборот заготовки, то глубина резания будет равнагде — номинальный диаметр заготовки-Л* - угол наклона прямолинейной образующей ведущего крута-о/С§ - припуск на обработку- - длина зоны обработки.

Расчеты по формуле (56) показывают, что в большинстве случаев обработки «на проход» широким кругомt<0,001 мм, и поэтомубольшинство гармоник исходной некрутлости будут вызывать нелинейное изменение сечения срезаемого слоя. Эта нелинейность, в свою очередь, приводит к тому, что одна гармоника некрутлости вызываетАпЗши)!Нелинейность процесса резания в зависимости от величины срезаемого слоя Ь и амплитуды колебанийРис.3.14Блок-схема замкнутой динамической системы с дополнительной обратной связью от процесса формообразования (Ш) к процессу резания (ПР)Рис.3.15широкий спектр гармонических составляющих силы резания, которые на одинаковых частотах с учетом фазовых сдвигов суммируются с гармоническими составляющими, вызванными другими гармониками некругл ости.

Таким образом, высота волны иой гармоники некруглости образующей заготовки равна её амплитуде /¡-т на текущем обороте, если значения и ^ не превышают критических значений (60). Если условия (60) выполняются, то предыдущая волна срезается не полностью и волна на текущем обороте описывается функцией: А (Т)^Ащкпи)г при ¿-7<£ЧГ, иАМ-Апк^г+у-,*) при г1 < V$ ггг •(3.61)В этом случае при расчете высоты волны текущего оборота необходимо произвести анализ Фурье функции (61) и просуммировать полученные гармоники на одинаковых частотах с учетом сдвига фаз. При этом в замкнутой динамической системе меняется характер обратной связи. Появляется связь процесса формообразования с процессом резания (рис. 3.15).

Для расчета Iой гармонической составляющей некруглости детали вышеуказанные действия производятся для каждого оборота заготовки. Количество оборотов заготовки Щ в зоне резания равно1У2 — число оборотов заготовки в зоне обработки.

Полученная в результате обработки форма образующей линии поверхности детали определена векторной суммой гармоник некруглости. Точность образующей оценивается сравнением максимальной величины ее отклонения от номинального диаметра по абсолютному значению с допускаемой величиной отклонения.(3.62)Для установившегося процесса справедливогде — амплитуда Iой гармоники некруглости детали-/}п- - амплитуда Iой гармоники исходной некруглости заготовки-Д" - коэффициент исправления Iой гармоники некруглости-3.4. Алгоритмн моделирования на ЭВМ погрешностей формы образующей и направляющей линий поверхности детали3.4.1. Алгоритм расчета погрешности формы образующей линииРасчет погрешности формы в поперечном сечении сводится к определению изменения текущего радиуса детали, вызванного относительными колебаниями детали на базовых поверхностях и шлифовального круга. На рис. 3.16 представлена блок-схема моделирующего алгоритма расчета погрешности Л©как разности экстремальных значений текущего радиуса детали при изменении его полярной координаты от 0 до 2.Ж.

С оператора II начинается вычисление амплитуды Iой гармоники для положения текущего радиуса по полярной координате В. Оператор 12 обеспечивает переход к следующей гармонике при том же занчении 6.

Операторы 13, 14, 15 вычисляют сумму амплитуд всех Сых гармоник при положении текущего радиуса &.

Когда дФО в работе участвуют операторы 19, 20, 21, 22, выполняющие сравнение и выбор экстремальных значений сумм амплитуд, полученных на предыдущем и текущем шаге (0=0+0//).

Операторы 23 и 24 обеспечивают переход к вычислению следующего текущего радиуса с угловым шагом Ад до значения включительно.

Когда пройден весь путь по окружности (2.Ж), оператор 25 вычисляет значение /10=2/г7#У-2/ад.Этот результат выводится на печать (оператор 26) и соответствует погрешности формы поперечного сечения детали.

Рукопись программы для ЭВМ дана в приложении 2.

3.4.2. Алгоритм расчета погрешности формы направляющей линии (продольная геометрия) Блоксхема алгоритма представлена на рис. 3.17.

Операторы 2−7 задают начальное положение заготовки и нулевые значения индексов. Расчет параметров, определяющих конфигурацию зоны обработки и положение заготовки относительно ведущего крута, ножа и шлифовального круга происходит в операторах 8−10. Оператор II передает в оперативную память машины начальные расчетные значения. Операторы 12−13 определяют шаг расчета.

Далее переходим в следующее сечение зоны обработки по оси #что и операторы 8−10, только на другом конце заготовки. Расчетные значения фиксируются оператором 18.

Определив значения ^ > и > Уз С в Д®-^ крайних сечениях заготовки, оператор 19 вычисляет коэффициенты Д иповорота оси заготовки в зоне обработки. При новом положении оси вычисляются значения радиусов заготовки в сечениях вдоль её длины (операторы 20−21). Операторы 22−25 определяют величину радиуса и положение центра сечения заготовки (его координаты) относительно опорного ножа. Результаты этого этапа расчета фиксирует оператор 25.

Операторы 26−27 и 31−33 осуществляют определение опорных сечений заготовки по признаку её касания с поверхностью опорного ножа и ведущим кругом. Если в рассматриваемом сечении окружность детали пересекает сечение ведущего круга или плоскость ножа, то операторы 31−33 вычисляют положение базовых сечений и управление переходит к оператору 28 и далее 29 или 30 для расчета истинногона длине заготовкиОператоры 14−17 вычисляют те же параметры, положения оси детали. Когда будут пройдены все 5 контрольных сечевний 5) деталь переходит в следующее сечение зоны обработки по коэффициенту Ъ (время, определяющее продольное перемещение детали), и весь цикл расчета повторяется, начиная с оператора 5. р{онец работы определяется значением. В этом случае определяется погрешность формы продольного сечения детали Дц-Ктах'^тш (оператор 38), как разность экстремальных значений радиусов, лежащих на направляющей линии поверхности детали.

ВЫВОДЫ1. При проходном бесцентровом шлифовании образование формы продольного и поперечного сечения деталей происходит одновременно, но с различной длительностью, что позволяет провести условное частотное разделение возмущающих воздействий.

2. Разработана математическая модель образования погрешностей формы продольного сечения деталей, формирующихся в диапазоне частот возмущающих воздействий. верхней границей которого являет, где % - время одного оборота детали в зоне резания.

3. Разработана математическая модель образования погрешностей формы поперечного сечения деталей, формирующихся под влиянием возмущающих воздействий, частота которых выше ^.

4. Разработаны алгоритмы расчета погрешностей формы продольного и поперечного сечений деталей. Величина погрешностей рассчитывается в соответствиии с их определениями по СТ СЭВ 301−76 как отклонение от прямолинейности профиля продольного сечения и отклонение от круглости.

5. Разработанные математические модели и алгоритмы расчета погрешностей формы могут служить информативной основой управления точностно процесса формообразования при проходном бесцентровом шлифовании. ся частота4. ЭКСПЕРШЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ПРОХОДНОМ БЕСЦЕНТРОВОМ ШЛИФОВАНИИЦелью экспериментального исследования является проверка адекватности предложенных в теоретической главе моделей образования погрешностей формы в продольном и поперечном сечениях детали реальным условиям обработки. При этом указанные погрешности формы определяются, с одной сторны, путем расчета по моделирующим алгоритмамс другой стороны, измерением на самих деталях.

4.1. Выбор обобщенных показателей возмущающих воздействийКак уже отмечалось, колебания припуска на заготовке, изменение сил резания при износе и затуплении шлифовального крута вызывают упругие отжатия осей ведущего и шлифовального кругов в своих опорах. Изменения сил резания возникают также вследствие погрешностей размера и формы самой заготовки. Так, радиальная составляющая силы резания Ру — сила прижатия крута к обрабатываемым деталям (или отжатия его за счет зазоров в опорах) — зависит от съема металла в единицу времени, т. е. от изменения припуска на обработку. С другой стороны, при одних и тех же удельных схемах, силы резания могут возрастать в результате износа и затупления шлифовального круга, характеризуя тем самым его режущие способности. Переменный характер силового воздействия вызывает упругие перемещения в шпиндельных узлах, величина которых зависит от жесткости последних. Упругие перемещения нарушают правильность взаимного расположения заготовки, базовых поверхностей и шлифовального крута, т. е. вызывают изменение конфигурации зоны резания, — отклонение формообразующих её элементов от первоначальной наладки, что приводит к отклонению размеров и геометрической формы обрабатываемых деталей.

Таким образом, все основные возмущающие воздействия, вызывающие деформации в зоне резания, как это отмечалось во второй главе, могут быть учтены и выражены через положения осей ведущего и шлифовального крутов и изменения этого положения в процессе шлифования. Такая информация с учетом износа кругов однозначно определяет состояние расчетных параметров наладки в любой текущий момент времени.

На процесс шлифования действует также большое число возмущающих воздействий высокочастотного спектра колебаний. К ним относятся колебания, вызванные погрешностями формы поперечного сечения заготовок, неуравновешенностью шлифовального круга вследствие его неравномерного износа и неоднородности физико-химических свойств и т. д.

Перемещения отдельных элементов несущей системы станка в процессе колебаний с учетом износа кругов определяют мгновенную конфигурацию зоны обработки в любом её сечении. Информацией для их регистрации и расчета может служить полный спектр колебаний бабок шлифовального и ведущего кругов.

4.2. Методика экспериментального исследованияБ процессе проведения эксперимента необходимо было получить информацию о мгновенной конфигурации зоны резания в любой текущий момент времени и тех погрешностях формы деталей, которые в этот момент обрабатывались.

Работа проводилась в следующей последовательности.

1. Непрерывно шлифовались детали — поршневой палец (см. рис. 2.6 и 2.7) — в течение периода стойкости круга (от правки до правки), что составляло объем партии около 2000 штук. Всего было прошлифовано 6 таких партий.

2. В течение всего периода шлифования через каждые 15 мин. работы брали выборки деталей по 3 шт. каждая. Таким образом, из каждой опытной партии отбирались для последующего контроля и анализа 39−40 деталей. Перед шлифованием заготовки, подлежащие выборке, маркировались. Б зону обработки эти детали подавали в порядке приданных им номеров по 3 штуки через каждые 15 мин. непрерывной работы станка.

Период стойкости крута принимался на основе производственного опыта с учетом реальных условий шлифования (резкое ухудшение точности обработки, возникновение так называемого «гула»).

Объем выборки — Зшт. — определялся прежде всего производительностью самого процесса. Через сечение зоны обработки одна деталь проходит за 4 сек. Провести при этом точное соответствие регистрации параметров колебаний довольно сложно. Поэтому был определен объем выборки — 3 детали.

3. Во время прохождения маркированных деталей через зону обработки записывался спектр абсолютных колебаний бабок шлифовального и ведущего кругов.(см. приложение О.

4. Б течение всего периода шлифования на самописце регистрировались координаты положения осей шлифовального и ведущего крутов (см. приложение О.

5. Детали контрольных выборок проверялись по точностным параметрам, соответствующим тем погрешностям, которые образуются в продольном и поперечном сечениях, а именно: — отклонение от крутлости поперечного сечения на приборе «Тали-ронд» — отклонение от прямолинейности профиля продольного сечения на приборе «Талилин» .

6. Для каждой партии по моделирующим алгоритмам, приведенным в третьей главе, рассчитывались на ЭВМ погрешности формы выборочных контрольных деталей в продольном и поперечном сечениях.

В первом случае информацией для расчета являлись координаты положения осей шлифовального и ведущего кругов, записанные на самописце.

Во втором случае информацией для расчета являлись амплитуды колебаний бабок станка, записанные на осциллографе в момент прохождения деталей выборки через входное и выходное сечения зоны обработки.

7. Для каждой партии результаты измерений и расчета были статистически обработаны с целью получения законов распределения и их статистических характеристик (средне-арифметического, средне-квадратического отклонения и дисперсии).

8. Для каждой партии деталей проводился сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных о погрешностях формы.

4.3. Описание экспериментальной установки и средств измерения4.3.1. Характеристика станка и объекта исследованияДля исследования был выбран специальный бесцентровый шлифовальный автомат мод. МЕ297С1 (рис. 4.1), работающий методом «на проход» как в составе автоматических линий, так и автономно, но с автоматической загрузкой и выгрузкой деталей. Выбор станка определялся его широким применением в автотракторной и других отраслях промышленности. Это одна из последних моделей проходных бесцентровошлифовальных станков, оснащенная гидростатическими опорами ведущего и шлифовального кругов, что позволяет получать, во-первых, высокую точность обработки, а во-вторых, дает возможность использовать гидростатические подшипники для получения информации о положении осей ведущего и шлифовального кругов (см. п.4.3.3), т. е. об изменении параметров технологической наладки. ао с-шCN3gsrt Ы tö-о F-iОк§ о§ g eк фЯ" о а) ОэЯ’ОоСтанок предназначен для шлифования деталей типа тел вращения в диапазоне диаметров 10.200 мм. Компоновка станка горизонтальная. Вращение и осевая подача обрабатываемых деталей осуществляется ведущим крутом, скорость которого изменяется бесступенчато, регулированием частоты вращения электродвигателя постоянного тока. Осевая подача деталей в зоне обработки обеспечивается разворотом ведущего круга в горизонтальной плоскости. Детали базируются на опорном ноже таким образом, что ось вращения деталей находится выше линии центров ведущего и шлифовального кругов. Изменение величины съема осуществляется за счет поворота бабки шлифовального круга вокруг своей оси с помощью домкрата, расположенного в плоскости симметрии станка. Ведущая бабка станка имеет только наладочные перемещения, определяемые расчетом в зависимости от конкретного вида обрабатываемой детали и технических требований к ней (допуски на погрешности размера и геометрической формы, шероховатость поверхности и т. д.).

Как отмечалось, в качестве объекта исследования был выбран поршневой палец (рис. 2.6- 2.7) прежде всего потому, что эта детальжесткая, её отношение длины к диаметру равно 2. Таким образом, влияние жесткости самой детали, которое бывает велико (например у колец подшипников) мы можем из рассмотрения исключить.

Экспериментальное шлифование проводилось на операции окончательной обработки поршневых пальцев диаметром 50 мм и длиной 110 мм. Режимы обработки и параметры наладки станка рассчитывались исходя из следующих требований к технологической операции: — конусообразность цилиндрической поверхности не более 0,002мм— отклонение' профиля продольного сечения не более 0,002 мм— отклонение от круглости поперечного сечения не более 0,002 мм— шероховатость не более 0,32 мкм— время на обработку одной детали (производительность) — 2,9мин.

Исходя из этих требований были приняты следующие режимы обработки: — средняя величина снимаемого припуска на диаметр — 0,06 мм— скорость движения продольной подачи заготовки — 1,0 м/мин— скорость резания — 35 м/с — частота вращения заготовки — 152об/мин.

4.3.2. Средства измерений колебанийДля измерения и записи спектра колебаний использовалась виброизмерительная аппаратура производственного объединения R. FT, а именно: виброизмерители SM 211 — для измерения абсолютных колебаний бабок шлифовального и ведущего круговпьезоэлектрические датчики колебаний КД-35. Для кратковременной записи и регистрации абсолютных колебаний использовался также многоканальный шлей-фовый осциллограф HII5 отечественного производства.

Одноканальный виброизмеритель мод. SH2II, предназначенный для оценки периодических и апериодических процессов, позволяет проводить количественную и качественную регистрацию абсолютныхколебаний сразу по шкале прибора и на осциллографе. Пьезоэлектрический датчик колебаний КД-35 представляет собой вибратор, работающий в режиме поперечных колебаний с резонансной частотой 20 кгц. Герметическое исполнение датчика, устанавливаемого на испытуемый объект с помощью магнитной присоски, позволяет использовать его при работе станка с СОЖ.

Опыт исследования бесцентровых проходных станков с широкими кругами позволяет считать, что большинство элементов несущей системы станка являются жесткими телами, смещение которых друг относительно друга определяется деформациями в стыках. Рассмотрение ориентации действующих при бесцентровом шлифовании сил, а также влияние основных внешних возмущающих воздействий — исходной погрешности заготовки и дисбаланса шлифовального круга — дают основание предполагать, что колебания элементов происходят в плоскости, перпендикулярной оси обрабатываемого изделия, а следовательно, практически и осями шлифовального и ведущего кругов.

Датчики колебаний устанавливались на бабки шлифовального и ведущего кругов в передней и задней плоскостях (на входе и выходе деталей), на максимально доступной высоте (рис. 4.2).

Таким образом регистрировался спектр колебаний упругой системы в двух плоскостях. Пример записи осциллограмм при шлифовании дан в приложении I.

4.3.3. Измерение положения осей шлифовального и ведущего круговДля измерения положения осей шлифовального и ведущего кругов были использованы их гидростатические опоры. Б каждую опору встраивался гидравлический тензометрический датчик давления оригинальной конструкции (рис. 4.3), предложенный автором, позволяющий определять статическое смещение оси под действием силовыхного и ведущего круговРис.4.2возмущений за счет зазоров в подшипнике. Преимуществом данного способа измерения является то, что нет необходимости в конструктивном изменении узлов станка, и характеристики станка полностью сохраняются. Для этой цели рекомендуется применение схемы измерения разности давлений в противоположных карманах гидростатического подшипника шпинделя.

Датчик для измерения смещения оси по разности давлений в противоположных карманах представлен на рис. 4.3. В корпус I встраивается чувствительный элемент датчика, которым является круглая мембрана 2. Деформации мембраны воспринимаются наклеенным на неё мембранным тензодатчиком 3 (мод. 2ФКМГ-30−200Х). Сигнал регистрируется по классической схеме усиления. Полная схема включения датчиков в карманы гидростатического подшипника дана на рис. 4.4. Схема встройки датчиков на станке показана на рис. 4.5. Сигнал с датчика поступает на универсальное измерительное устройство ИМ-131, предназначенное для электрического измерения механически х величин. Прибор ИГЛ—131 (производство ГДР) является трех-канальным усилителем, позволяющим в сочетании со шлейфовым осциллографом или самописцем проводить одновременную регистрацию временной зависимости трех различных процессов. Поскольку смещения осей происходят, в основном в направлении действия радиальной составляющей силы резания, то при шлифовании информация записывалась из горизонтальных карманов гидростатических подшипников. Таким образом, смещения осей регистрировались по четырем каналам: два для оси шлифовального круга (передняя и задняя опоры) и два для оси ведущего. Запись проводилась непрерывно, в течение всего периода шлифования, на самописце Н338−6. Пример записи в начале, в середине и вконце шлифования дан в приложении I.

Особое внимание было уделено тарировке датчиков, которая проводилась в два этапа.

144У 2 3Тензометрический датчик давления Рис. 4.3Схема включения датчиков в карманы гидростатического подшипникаПервый этап проводился на стенде, схема которого представлена на рис. 4.6. Здесь подбирались основные характеристики мембраны и определялась чувствительность датчика. Окончательно былавыбрана толщина мембраны? = I мм при эффективной рабочей плорщади 125,6 мм. По этим параметрам были изготовлены все мембраны в количестве 5 штук (4 датчика для измерений, один — запасной). Тарировочный график этого этапа для датчика Ж показан на рис. 4.7.

На втором этапе датчики встраивались в карманы гидростатических подшипников по дифференциальной схеме. Внешний вид расположения датчиков на станке показан на рис. 4.5. При номинальном давлении масла, подводимого к шпинделям шлифовального и ведущего кругов, равной 20 атм, проводилось ступенчатое нагружение упругой системы станка динамометром таким образом, чтобы получить смещение оси шлифовального крута от 0 до 10 мкм. Нагружение проводилось в статике (шпиндели находились во взвешенном состоянии, но не вращались). Для вывода погрешности тарировки и уменьшения ошибки измерений нагружение проводилось многократно в трех точках по длине шлифовального круга. Схема тарировки датчиков на станке показана на рис. 4.8. При этом фиксировались показания датчиков по шкале прибора ИМ-131 и соответствующие перемещения шпинделя относительно корпуса с помощью индикатора (цена деления с = 0,001 мм). По среднестатическим результатам измерений для каждого датчика был построен тарировочный график, выражающий зависимость между смещением оси и электрическим сигналом от этого смещения. Пример такого графика для датчика И приведен на рис. 4.94.3.4. Измерение износа шлифовального кругаВо второй главе (п. 2.4) дано описание методики и устройства для измерения износа и формы поверхности шлифовального крута в продольном и поперечном сечениях. Для данного эксперимента, осСхема тарировки датчиков давления на стендеРис.4.6РатмТарировочный график проверки датчика давления № I на стендеРис.4,71 483 шСхема тарировки датчиков на станке Рис. 4.8новной целью которого является проверка идентичности предложенной математической модели процесса формообразования, главной информацией здесь является величина износа, поскольку тленно она определяет значения параметров — радиуса шлифовального круга, входящие в расчетные формулы погрешностей формы детали.

Для определения погрешностей формы поперечного сечения обрабатываемых деталей необходимо также^анть форму поперечного сечения шлифовального круга, главным образом количество граней образующейся на нем некруглости.

В данном эксперименте запись формы поверхности шлифовального круга в продольном и поперечном сечениях проводилась до начала шлифования и после его окончания (через 2.2,5 часа работы). По результатам записей продольного сечения во всех шести экспериментальных партиях определялся средний износ круга на диаметр. Картина износа аналогична приведенной на рис. 2.21т, Износ вдоль ширины круга происходит неравномерно. Наибольшему износу и осыпанию подвергается заходная часть круга. В конце периода стойкости на выходе остается примерно 1/3 ширины круга практически неизношенной. Средняя величина износа шлифовального круга по всем шести партиям в заходной его части составила 0,025 мм.

До начала шлифования, после правки и балансировки записывалась форма поперечного сечения шлифовального круга в трех его точках: на входе в зону резания, в середине и на выходе. Аналогичная запись проводилась и после окончания шлифования. Как и в предыдущих экспериментах, крут после шлифования приобретает форму ярко выраженного овала (2-х гранка) по всей ширине.

Исследования износа шлифовального круга, приведенные во второй главе, позволяют допустить, что в течение работы круга от правки до правки износ его во времени происходит равномерно.

4.3.5. Описание экспериментального стендаОбщий вид станка и регистрирующей аппаратуры показан на рис. 4.10. Принципиальная схема измерения и регистрации положения осей ведущего и шлифовального кругов, спектра колебаний бабок даны на рис. 4.II.

На бесцентровошлифовальном станке мод. МЕ297С1 в каждую из опор ведущего и шлифовального кругов встроены гидравлические тензометрические датчики давления по диференциальной схеме измерения. При изменении положения оси (перекос или паралельное смещение) возникает разность давлений в карманах гидростатического подшипника. Этот сигнал с датчиков через универсальное измерительное устройство ИГЛ—131 передается на самописец Н338−6. Всего на самописец выведено четыре регулирующих канала, — по количеству опор, воспринимающих нагрузку.

На бабках шлифовального и ведущего кругов установлены четыре датчика КД-35, регистрирующие с помощью виброизмерителей $М2И спектр колебаний, возникающий в зоне резания.

Запись этого спектра по четырем каналам осуществлялась на осциллографе НП5.

Перед каждой шлифовкой и после нее на ленту осциллографа записывалась форма шлифовального круга в продольном и трех поперечных сечениях.

На самописец Н338−6 записывалась также скорость вращения ведущего круга, поскольку в течение длительного периода шлифования она не является величиной постоянной.

4.4. Сравнительный анализ результатов эксперимента и математического моделированияВ результате проведенного эксперимента в каждой партии, состоящей примерно из 2000 штук, для выборочных деталей (39 шт.)Общий вид экспериментального стендатгГим-/5 /I N1У358−6иМ/5/иСкорость ёедцщеео ируеоГдМ-27/!ГНН5Принципиальная схема измерительной аппаратуры экспериментального стендабыли записаны: спектр колебаний упругой системы станка на входе и выходе зоны резания, смещения осей шлифовального и ведущего кругов и износ шлифовального круга. Все выборочные детали после обработки были измерены по параметрам: отклонение от круглости и отклонение от прямолинейности.

По результатам измерений были построены гистограммы распределения и рассчитаны статистические характеристики (среднеарифметические значения, дисперсия).

Для расчета погрешностей формы поперечного сечения по приведенному в третьей главе алгоритму исходной информацией служил спектр колебаний упругой системы станка.

Для расчета погрешностей формы продольного сечения по приведенному в третьей главе алгоритму информацией служили записи о положении осей шлифовального и ведущего кругов.

4.4.1. Проверка адекватности модели образования погрешностей формы поперечного сеченияДля расчета значений погрешности на ЭВМ спектр колебаний, записанный для каждой выборочной детали, подвергался обработке с целью снятия координат мгновенного положения зоны резания в сечениях на входе и выходе. Координаты снимались с ленты осциллографа с шагом 0,5 мм. Значения координат, параметры наладки и текущий радиус шлифовального круга (с учетом износа) служили исходной информацией для расчета по моделирующему алгоритму на ЭВМ ЕС1020 погрешности формы поперечного сечения. Для каждой партии по результатам расчета были построены законы распределения и рассчитаны статистические характеристики (см. приложение 2).

Анализ гистограмм показывает, что оба закона не отличаются существенно друг от друга как по размаху значений погрешности (3,3 и 2,87), так и по положению их на числовой оси (0,93. 4,23 и 0,95.3,82). Средне-арифметические значения также близки между собой (2,18 и 2,3).

ТогдаР 28,566 С, а = -• = 0,7517рас, —0/7517— = 25АЛ 0,6135Р — критерий, представляющий собой отношение дисперсии предсказывания полученной моделью, к дисперсии опыта, по сути дела, отвечает на вопрос, во сколько раз модель предсказывает хуже по сравнению с опытом.

Гипотеза об адекватности модели принимается в том случае, когда рассчитанное значение Р — критерия не превышает табличного для выбранного уровня значимости, т. е. когдаррасчртабл.

Уровень значимости о£ - вероятность практически невозможных событий, принимается, чаще всего, равной 0,05 или 0,01.

Принимаем об =0,05.

По таблице значений Р — критерия /3/ находим для сС = 0,05 и = 38 значение /?та^А'= 1,84.

Сравнивая расчетное и табличное значения ш-лоем:1,225 < 1,84^что и подтверждает адекватность предложенной модели образования погрешностей формы поперечного сечения детали реальным условиям обработки.

4.4.2. Проверка адекватности модели образования погрешностей формы продольного сеченияИсходной информацией для расчета значении погрешности на ЭВМ являлись записанные на самописце координаты положения осей шлифовального и ведущего кругов в передней и задней опорах.

На ленте самописца отмечались участки прохождения череззону резания выборочных деталей. На этих участках и снимались координаты с. шагом 0,5 мм. Скорость протяжки ленты самописца была I мм/сек. Пример расшифровки ленты самописца дан в приложении 2.

На рис. 4.13 представлены гистограммы распределения значений отклонений от прямолинейности профиля продольного сечения, построенные по результатам измерений деталей на приборе Талилин (эксперимент) и по результатам расчета (ЭВМ) по моделирующему алгоритму.

Анализ гистограмм показывает, что оба закона не отличаются существенно друг от друга. Размах значений, рассчитанных на ЭВМ, составил 3,91 в интервале от 0,35 до 4,26 мкм. При этом среднее арифметическое значение параметра равно 2,56. Экспериментальные значения имеют размах 4,4 в интервале 0,1.4,5 мкм. Среднее арифметическое значение равно 2,61.

Проверка адекватности предложенной модели дала следующие результаты: Лс 40,555{У} = —— = 1,067^ 70,996 5Неад. = —- = 1.868-расч. 1,868 Дисло степеней свободы и уровень значимости те же, что и в предыдущем параграфе, следовательно 1,84.

Сравнивая расчетное и табличное значения, имеем: 1,75 < 1,84, что подтверждает адекватность модели образования погрешностей формы продольного сечения реальным условиям.

ВЫВОДЫ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Проведенный технологический анализ процесса проходного бесцентрового шлифования показал, что возмущающие воздействия, влияющие на точность обработки, в частности: колебания припуска на заготовке, изменение режущих свойств шлифовального крута, периодические возмущения от погрешностей геометрической формы заготовки, неуравновешенность шлифовального круга и другие, — приводят в конечном итоге к изменению мгновенного относительного-положения заготовки, шлифовального и ведущего кругов, что и определяет точность обработки.

2. Теоретически обосновано, что погрешности формы продольного и поперечного сечений формируются с различной длительностью, зависящей от времени одного оборота детали в зоне резания и времени прохождения детали через одно сечения зоны резания. Это позволяет провести условное частотное разделение всех возмущающих воздействий на четыре диапазона, каждый из которых определяет свой вид погрешности.

3. Разработана математическая модель образования погрешностей формы продольного сечения и алгоритм расчета их на ЭВМ. Исходной информацией для расчетов служат координаты положения осей шлифовального и ведущего кругов, определяющие относительное положение заготовки и кругов в любой текущий момент времени, а также радиус шлифовального круга, изменяющийся в результате износа и осыпания.

4. Разработана математическая модель образования погрешностей формы поперечного сечения и алгоритм расчета их на ЭВМ для замкнутой динамической системы. Информацией для расчета служит спектр колебаний бабок шлифовального и ведущего кругов, амплитуда и фаза которых определяет мгновенное относительное положение заготовки и кругов в любой текущий момент времени.

5. Экспериментально показано, что разработанные математические модели образования погрешностей формы адекватны реальным условиям обработки. Законы распределения по параметрам отклонение от круглости и отклонение от прямолинейности, построенные по результатам эксперимента и расчета на ЭВМ, обладают достаточной сходимостью по критерию Фишера.

6. Теоретически и экспериментально установлено, что обеспечение требуемой точности формы продольного и поперечного сечений обрабатываемых деталей при проходном бесцентровом шлифовании может быть достигнуто сохранением неизменности во времени взаимного относительного положения шлифовального и ведущего крутов.

7. Для расчета погрешностей формы продольного сечения деталей, образующихся при низкочастотных колебаниях, необходимой и достаточной информативностью о&ладают данные о текущих значениях координат осей шлифовального и ведущего кругов. полученные из карманов гдцростатических подшипников с помощью тензометрических датчиков давления.

8. Для расчета погрешностей формы поперечного сечения деталей, образующихся при более высоких частотах возмущающих воздействий, необходимая информация может быть получена при измерении колебаний бабок шлифовального и ведущего кругов.

9. На основе теоретического анализа и экспериментальных исследований разработана принципиальная схема и алгоритм работы комплексной системы управления точностью проходного бесцентрового шлифования по всем видам образующихся погрешностей размера и формы детали.

10. Разработаны отдельные модули комплексной системы управления точностью обработки, в том числе: модуль продольной геометриимодуль поперечной геометриимодуль правки ведущего круга.

II. Внедрение результатов работы на Костромском заводе «Мотордеталь» позволило повысить точность обработки по параметру отклонение от круглости в 2 раза, увеличить производительность обработки в 1,75 раза и получить экономический эффект 58 904 руб.