Системы активного контроля размеров.

При шлифовании нежестких деталей доминирующее значение влияния на надежность процесса шлифования имеет величина амплитуды колебаний и прогиба. Контроль и компенсация этих негативных явлений для стабилизации упругих перемещений системы СПИД, возможно осуществлять с применением активного контроля. Системы регулирования повышают технологическую (точностную) надежность системы СПИД. Целесообразно также использовать комбинированные двухступенчатые системы регулирования, представляющие собой комбинацию контроля в процессе обработки с подналадкой. Эти системы обеспечиваю высокую точностью.

При использовании активного контроля длинные размерные цепи станков заменяются более короткими цепями измерительных приборов. Жесткость системы СПИД оказывает существенное влияние на точность обработки деталей при использовании систем регулирования, обладающих значительной зоной нечувствительности. Чем выше чувствительность системы регулирования, тем менее жесткой может быть сама система СПИД, и наоборот чем ниже чувствительность системы регулирования, тем более жесткой должна быть система СПИД.[3]

Внедрение в промышленность новых технологий шлифоваль­ных операций, обеспечивающих повышенную точность, приме­нение скоростного шлифования, высокостойких шлифовальных кругов и новых эффективных смазочно-охлаждающих жидкостей, позволило значительно увеличить скорость съема припуска на черновых этапах обработки и соответственно повысить производи­тельность шлифования при обеспечении высоких требований к по­казателям качества обработанных деталей (точности основных размеров и геометрии детали, шероховатости и микроструктуре по­верхности и др.)- При этом время заключительных этапов шлифо­вания становится весьма значительным в общем балансе времени обработки, и одним из основных резервов дальнейшего повышения производительности обработки является уменьшение времени шли­фования на этих этапах за счет минимизации времени переходных процессов обработки, рационального построения цикла, правильного назначения припусков на отдельные этапы обработки и режимов шлифования, сокращения времени подвода шлифовального круга к детали в случаях, когда его правка производится перед чисто­вым шлифованием.

Применение активного контроля на протяжении всех механических операций (токарных, круглошлифовальных и шлицешлифовальных) как черновых так и чистовых позволит существенно повысить производительность, точность обработки, сократить процент брака и минимизировать технологическую наследственность.

Применение традиционных средств активного контроля разме­ров, управляющих процессом шлифования по контролю оставше­гося на обработку припуска, обеспечивает запрограммированное протекание процесса и заданную точность обработки только при достаточно высокой стабильности параметров процесса резания, характерной для шлифования на «мягких» режимах.

Увеличение скорости съема припуска при черновом шлифова­нии приводит к значительной нестабильности параметров процесса резания перед заключительными этапами обработки и соответст­венно к увеличению их влияния на конечную точность обработки.

В этом случае получить заданную точность обработки можно за счет комбинированного управления процессом по результатам контроля оставшегося на обработку припуска и других парамет­ров, отражающих состояние процесса резания.

Комбинированная (многоконтурная) система активного контро­ля наряду с основным контуром регулирования (управления), за­мыкаемым главной обратной связью, может включать контуры компенсации динамической погрешности, конту­ры управления процессом по контролю скорости съема припуска, упругих деформаций системы СПИД, постоянной времени резания и т. д. Таким образом, эти системы кроме главной обратной связи содержат вспомогательные контуры для ее коррекции.

Однако определение параметров технологического процесса, по контролю которых следует производить управление, и задание законов их изменения в процессе шлифования являются сложной задачей, зависящей как от требований к точности и производитель­ности обработки, так и от характера взаимосвязей между пара­метрами процесса шлифования и показателями качества обрабо­танных деталей. Поэтому выбор алгоритма управления и струк­турной схемы системы активного контроля в общем случае должен производиться в следующей последовательности.

1. Экспериментальное исследование конкретного процесса шлифования с целью комплексного изучения связей между параметрами технологической системы и показателями качества обработки. Установление причин и области вариаций параметров и условий обработки.

2. Разработка математической модели процесса шлифования и процесса формирования погрешности обработки.

3. Аналитическое исследование процесса шлифования. Определение параметров управления. Формулировка требований к структуре цикла, характеру протекания процесса шлифования, к структурной схеме и точности системы активного контроля.

4. Разработка алгоритма управления процессом и системы ак­тивного контроля для его реализации.

Основное внимание должно быть уделено выбору наибо­лее рационального алгоритма управления применительно к высо­копроизводительным и высокоточным процессам шли­фования деталей типа протяжка, как наиболее сложным и наименее изучен­ным в настоящее время. Однако принципиальные вопросы и ме­тодики, разработанные для указанных процессов, применимы и для других видов обработки [3,80].

 

 

Погрешность обработки.

В большинстве известных работ по управлению шлифованием процесс резания рассматривается как инерционное звено. При этом предполагается, что инерционность упругой системы шлифоваль­ного станка на несколько порядков меньше, чем инерционность процесса шлифования, коэффициент режущей способности шли­фовального круга в пределах каждого этапа цикла обработки остается неизменным и ширина шлифования является также по­стоянной величиной. В этом случае закон изменения скорости съе­ма припуска описывается следующим дифференциальным уравне­нием:

где Т — постоянная времени процесса резания; Vб — скорость пе­ремещения шлифовальной бабки; К — коэффициент усиления, зависящий от отношения скоростей v_s/v_б в установившемся режиме шлифо­вания, т. е. при t>3T.

Применительно к рассматриваемым процессам, шлифования линейным износом шлифовального круга можно пре­небречь и, следовательно, принять К=1.[3]

Для выбора наиболее рационального алгоритма управления процессом шлифования и структурной схемы системы активного контроля необходимо на основании разработанной математической модели и полученных экспериментальных данных провести ана­литическое исследование точности обработки при различных по­строениях цикла шлифования, которое позволит сформулировать требования к структуре цикла и характеру протекания процесса шлифования, обеспечивающего наибольшую производительность при заданных показателях качества обработанных деталей.

При разработке алгоритма управления необходимо учитывать ограничения, отражающие конструктивные особенности и техноло­гические возможности станков, на которых обрабатываются дета­ли, и организационно-технические возможности производства. Учитывая, что решаемая задача ограничена управлением шли­фованием только с помощью средств активного контроля размеров, построение чернового этапа шлифования примем для всех исследуе­мых циклов одинаковым: ускоренное врезание и шлифование с подачей, обеспечивающей наибольшую производительность обра­ботки.

При компенсации только погрешности, вызываемой колебаниями детали, значительно умень­шается систематическая составляющая погрешности обработки, но при этом увеличивается случайная составляющая суммар­ной погрешности за счет увеличения влияния случайной состав­ляющей погрешности. Суммарная погрешность уменьшается, так как в рассматриваемом конкретном случае доминирующее влия­ние на величину о> оказывает погрешность. Время шлифова­ния может быть уменьшено, если лимитирующим фактором являлось допустимое значение случайной составляющей погрешно­сти. При компенсации только динамической погрешности, систе­матическая составляющая практически не уменьшается, однако существенно увеличивается случайная составляющая погреш­ности обработки. Суммарное поле рассеяния также увеличивается. Время шлифования в ряде случаев можно уменьшить, если лими­тирующим фактором является допустимое значение случайной со­ставляющей погрешности. При шлицешлифовании или при слабой корреляционной связи между этими погрешностями компенсация любой из них должна дать положительный эффект. Описание некоторых схем компенсации динамической погрешности и погрешности, об­условленной деформациями обрабатываемой де­тали, приведено в [3, 80]мм

На основании литературных данных и проведенных исследований в производственных условиях, модель воздействия технологических факторов на точность и производительность обработки можно представить следующим образом (рис. 7.4.):

Основы такой связи разработаны в трудах многих ученых посвященных проблеме повыше­ния точности и производительности обработки на метал­лорежущих станках технологическим, путем управления: упругими пере­мещениями системы СПИД, режимами и др.. Для расчета параметров управления требуется знание математических взаимо­связей между элементами режима резания (подачей, глубиной, скоростью резания), определяющими произво­дительность процесса, и рядом технологических факто­ров, ограничивающих ее. К последним, чаще относятся точность формообразования готовой детали, качество обработки, допустимое силовое нагружение системы. Большинство этих ограничений связано с допустимыми системой СПИД (в силу тех или иных технических требований) силами резания или их составляющими того или иного направления. Нередко увеличение сил и вызванное этим снижение производитель­ности происходит в результате затупления инструмента.

Математическая формализация отдельных элементов этих связей основанная на учете взаимодействия колеба­ний сил резания с точностью и качеством обработки, а также учитывающая физическую сущность процесса резания и пластического деформирования металлов, вы­полнялась в трудах многих уче­ных Б. С. Балакшина, Н. Н. Зорева, В. А. Кривоухова, Т. Н. Лоладзе, В. С. Корсакова, А. Я- Малкина, А И.Исаева, Л. А. Глейзера, А. В. Подзея, Е. Н. Маслова, М. И. Клушина, А. М. Розенберга, П. И. Ящерицына, С. Г. Редько, Г. В. Бокучавы, Л. В. Худобина, А. Н. Резникова, Б. И. Костецкого, В. Т. Мещерина, Г. А. Смирнова-Аляева, М. В. Сторожева, Э. Томсена и др. Работами этих ученых создана теоретическая база для установления общих функциональных связей между производительностью процесса и технологическими фак­торами, действующими непосредственно в период формо­образования поверхностей детали. Такие общие зависи­мости оказываются необходимыми, во-первых, для рас­чета наиболее производительных программ управления процессами обработки, особенно на станках с числовым программным управлением, а также станках, оснащен­ных адаптивными системами автоматического управле­ния и обрабатывающих станочных комплексов; во-вторых, для использования в нормативах по расчету режимов резания и норм основного времени.

Ориентировочно погрешности изготовления протяжек на шлицешлифовальных станках можно представить таким образом (рисунок 7.5.).

Данные получены при исследовании результатов контрольных измерений при изготовлении более, чем 200 протяжек и калибров в инструментальном производстве ФГУП им. П.И. Баранова. Установлено, что доминирующими факторами определяющими точность и производительность являются величины сил и их характеристика (время воздействия, направление вектора) в зоне шлифования и условия базирования (жесткость системы).

В процессе профильного шлифования протяжек происходит отжим детали от инструмента. Этот процесс обусловлен тем, что в зоне соприкосновения инструмента с заготовкой возникают силы вызывающие деформации, величины которых, могут превышать величину допуска необходимого для обеспечения точности. Отрицательное воздействие на абразивные инструменты оказывают возникающие вибрации, приводящие к интенсивному протека­нию процессов (ускоренному засаливанию и износ зерен), следствием которых является изменение рельефа рабочей поверхности круга с образованием периодически расположенных пятен «засаливания» см. рисунок 2.13 и 2.14, это в свою очередь приводит к повышению амплитуды колебаний, что еще больше снижает точность.

Несмотря на значительный удельный вес шлифовальных работ (а их насчитывается свыше 30 разновидностей), процессы шлифования в различных технологических условиях являются еще недостаточно изученными по сравнению с другими видами обработки металлов резанием.

Интерес представляет анализ обобщенных факторов, влияющих на изменение относительной производительности шлифования [1]. Эта схема см. рисунок 7.6 адекватна условиям шлицешлифовальной операции и может быть принята за основу при разработке модели влияния факторов на производительность и точность шлифования профиля протяжек.

 

Производительность шлифования деталей, одинако­вых по точности и качеству, но изготовленных из сталей разных марок, различна, обусловлена раз­личной их обрабатываемостью шлифованием. Обрабаты­ваемость шлифованием по производительности опреде­ляется обычно как средний съем металла за определенное время при неизменных технологических условиях об­работки.

Однако, несмотря на разницу в про­изводительности шлифования, нормативы режимов реза­ния и норм основного времени на шлифовальные работы или не учитывали ее совсем, или давали ошибочно малую разницу (на 30%) между кон­струкционными и жаропрочными сталями. Принятие в нормативах единого уровня режимов шлифования для быстрорежущих сталей разного химического состава обусловило значи­тельное занижение расчетных норм основного времени для сталей большинства марок.

Разные исследователи объясняют изменение произ­водительности при шлифовании сталей различными при­чинами: для одних сталей - влиянием твердых карбидов, находящихся в структуре стали, для других - удель­ным содержанием аустенита, для третьих - определен­ными сочетаниями различных показателей механических свойств (например, вязкости и прочности). В работах не содержится единых точек зрения на причины большой практической разницы в производительности шлифова­ния. Это может быть объяснено тем, что механические свойства сталей (прочность, твердость) не оказывают закономерного и однозначного влияния на производительность процесса шлифования в отличие от процессов резания металлов металлическим инструментом.

Кроме того, экспериментальные данные получены при разных методиках шлифования с оценкой производи­тельности по разным критериям, без учета точности обработки, износа кругов, при различном силовом воз­действии, что делает невозможным их обобщение и ис­пользование в производственной практике. Изуче­ние результатов работ показало, что поставленная задача не может быть решена в общем виде, если продолжать исследования только на экспериментальном уровне, так как их результаты позволяют определить влияние тех или иных технологических факторов (в том числе и марок сталей) на производительность шлифования только для определенных условий, в которых проводился экспе­римент.

Изменение сочетаний технологических факторов, ко­торых в практике встречается множество, приводит к на­рушению полученных зависимостей и рекомендаций. Осо­бенно существенное влияние на изменение производи­тельности может оказывать изменение точности обработки, которое обычно в экспериментах не учитывается. Это вызывает необходимость разработки теоретических основ общих функциональных взаимосвязей между производительностью шлифования при одинаковой точности обработки и основными технологическими фак­торами, влияющими на производительность процесса.

В технологии машиностроения производительность обычно оценивается штучным временем, необходимым для получения годной детали. В состав штучного времени входит основное (машинное) время обработки, составля­ющее обычно большую часть штучного и зависит от производительности процесса обработки. При обработке профиля протяжки штучное время составляет 1-8 часов при этом время установки, и машинное шлицешлифовки время занимает до 80% трудоемкости. Производительность шлифования при этом в среднем 2-5 грамм в минуту, причем на черновых операциях снимается до 10 грамм в минуту, а на чистовом переходе менее одного. По сравнению с плоским и круглым шлифованием, удельный съем металла более, чем в 10 раз ниже. Это определяет совершенно иные критерии работоспособности кругов и определение производительности. Для повышения производительности процессов механической обработки и управления ими требуется установление функциональ­ных закономерностей между технологическими факторами, определяющими производительность и качество, главным образом точность обработки. Комплексное обеспечение перечисленных факторов требует тщательного и обоснованного выбора характеристики круга, режимов обработки и прочих факторов, учитывающих специфику процесса шлифования нежестких деталей выполненных из быстрорежущих сталей, которые обладают наихудшей шлифуемостью, сравнимой только с жаропрочными сталями [1, 35, 57]. Производительность при шлифовании на черновых операциях существенно отличается от чистовых. В условиях достижения жестких допусков менее 0.01 на технологически нежестких деталях требуется длительное выхаживание. Удельный съем при этом ничтожен, а усилия шлифования и динамический фактор (вибрации) начинают играть доминирующие значение и определяются, в основном, характеристикой круга и состоянием его рабочей поверхности. На черновых операциях большие силы резания до 100Н, вполне приемлимые при шлифовании жестких деталей, но не допустимы для нежестких. Повышенные силы вызывает большие погрешности на нежестких деталях, что определяет снижение производительности на черновых и чистовых операциях на порядок (явление технологической наследственности, закладываемой на черновых операциях). Поэтому использование рекомендаций по повышению производительности на плоском, круглом и др. операциях, как правило, не приемлемо при обработке профиля протяжек. Часть закономерностей приведенных в литературе использовано в работе, часть оказалось не приемлемой. На производительность и точность шлифования наибольшее влияние оказывает радиальная сила Py и тангенциальная Pz, режимы, характеристика и состояние абразивного круга. В. Лурье[59] в своей работе отмечает, что сила Pz определяется, как

(7.1)

Данная зависимость устанавливает зависимость сил резания от скорости круга, но не дает возможности определить величины сил. Повысить производительность шлифования профиля протяжки за счет повышения скорости резания в некоторых случаях удается, но возникающие вибрации существенно снижают точность отработки. Хотя, как рекомендацию при обработки жестких калибров и протяжек этот прием можно принять. В ряде источников приводятся зависимости позволяющие определить величины сил от режимов и иных факторов [1].

 

(7.2)

(7.3)

 

Приведенные зависимости дает результат на режимах используемых для шлицешлифовальных станках. При обработке стали Р18, результаты расчетов по формуле (7.2) при t-0.02мм.., S-5 м/мин Ру=10,7Н;

при t-0.01мм., S-10 м/мин Ру=10,99Н;

Экспериментальные данные, полученные автором данной работы:

для стали Р18, t-0.02мм., S-5 м/мин. и при t-0.01мм., S-10 м/мин измерение сил составило 16Н и 17Н соответственно. Расчеты по другим источникам дают так же значительные различия от полученных экспериментально значений сил. Из этого можно сделать вывод, что эмпирические зависимости, разработанные для других операций не учитывают особенностей обработки на шлицешлифовальных станках и не могут быть приняты при определении сил.

Для количественной оценки производительности обра­ботки деталей из разных сталей с учетом различных технологических условий (внешней силы резания, затупления инструмента) ниже выведена общая (для любых процессов резания) структура формулы, функционально связывающая про­изводительность обработки с рядом определяющих техно­логических параметров процесса.

В общем виде работа деформации A_Dдля объема металла ω по данным Сторожева М.В. составляет

, (7.4)

где δ _i-интенсивность напряжений;

σ_i- интенсивность деформаций.

Равнодействующую силы резания раскладывают на две составляющие – Py и Pz, функции которых различны в системе СПИД.

Роль составляющих сил резания Pyи Pzкак техно­логических факторов, ограничивающих дальнейшее нагружение системы СПИД, не равноценна. При резании на постоянной подаче вместе с колебаниями припуска колеблются Pzи Py. Но если изменение Pzотражается только на колебаниях мощности, затрачиваемой силовым приводом станка, и не отражается на точности детали. Изменения величин Pyприводят к появлению динамиче­ских отклонений от точных размеров и формы детали (в результате колебаний упругих перемещений системы СПИД), т. е., как правило, приводят к невозможности получить точную деталь за один проход.

Определяющая роль радиальной составляющей силы резания в управлении упругими перемещениями, точ­ностью и производительностью обработки через автомати­ческое управление режимами резания всесторонне показана в трудах [49].

Так, в работе [49] показана связь упругих перемещений замыкающего звена (у) размерной цепи системы СПИД (размер детали) с силой резания Р и жесткостью состав­ляющих систему элементов j:

, (7.5)

Уравнения такого вида, составленные для различных видов и конкретных условий обработки, позволяют правильно понять появление отклонений размера у, а следовательно, и появление погрешностей обрабатываемых деталей вследствие изменения силы резания Р.

При определенной жесткости станка и детали требуе­мая точность и производительность шлифования могут быть обеспечены только при условии, что величина и колебания радиальной силы не будут превышать некото­рого определенного значения.

При работе с ручной радиальной подачей осуществляется управле­ние, меньшей обеспечиваемой станком перемещениями инструмента, поддерживая заданную чертежом точность обработки путем стабилизации средней радиальной силы шлифования или силы прижима круга к детали. Таким образом, выравниваем силы Ру на протяжении времени цикла обработки детали приводит к автоматическому поддержанию заданной точности и качества обработки. Вместе с тем при обработке профиля протяжки сила Py остается пульсирующей, так как происходит постоянное врезание по зубьям. Добиться стабилизации силы Ру при этом невозможно. Это ведет, к неустойчивой динамической системе круг-протяжка. В связи с этим стабилизация силы Ру очень важна, хотя бы на протяжении каждого зуба. Реально это можно обеспечить за счет высокой и стабильной режущей способностью круга. Это требует выбора характеристики круга и режимов обработки. Эта проблема усугубляется неодинаковой режущей способностью кругов, имеющих практически одинаковые характеристики, но изготовленные разными заводами и фирмами. В производственных условиях рабочие подбирают круги, обладающие высокой режущей способностью в результате перебора значительного количества кругов. В литературе не обнаружено критериев, позволяющих определить, режущую способность круга иначе как испытание. По этому при обработке нежестких протяжек возникает задача выбора качества круга по режущей способности. Т.о. выбор оптимальной характеристики круга производится на основе рекомендаций и практического опыта. Характеристика абразивного круга должна обеспечить:

1. Высокую производительность шлифования возможную для данного случая.

2. Точность и шероховатость профиля протяжки заданных чертежом.

3. Достаточный длительный период стойкости абразивного круга.

В литературе существуют множество рекомендаций определяющих выбор марки абразивного материала, зернистости, номер структуры и твердости кругов в зависимости от вышеперечисленных требований. Во многом эти рекомендации справедливы и круги используемые на шлицешлифовальных операциях соответствуют им. Но есть и специфические особенности обработки профиля протяжек, как например: Черновые и чистовые операции профильного шлифования на нежестких деталях, которой является протяжка, выполняются одним кругом;

В качестве абразивного материала рекомендуется электрокорунд белый 24-25 А, наиболее часто используемый в производстве. Зернистость кругов выбрать достаточного сложно. Всвязи с тем, что имеют место следующие противоречия. Например: хорошая высокая производительность, небольшие силы резания обеспечивают круги зернистостью 25-40, но при этом шероховатость получается в пределах Ra1.25 при требуемой по чертежу Ra0.32. Для обеспечения такой шероховатости следует выбирать круги зернистость не выше 12, но при этом производительность шлифования существенно снижается и требуется очень частая правка круга. Существуют приемы снижения шероховатости поверхности за счет изменения режимов, применения различных СОЖ и повышения жесткости системы. Этими мерами удается получать шероховатость Ra0,32 кругами зернистостью 16-20.

По работе Островского В.А.[77] в основу теории шлифования положен комплекс взаимосвязанных моделей процесса, созданных на базе системного подхода. Теоретическое описание механических и теплофизических процессов базируется на «динамической» модели абразивного инструмента, которая представляет собой результат совместного решения основных уравнений кинематической и статической инструментальной модели. Эффективность применения теории для решения технологических задач оптимизации и управления процессом основана на физическом и математическом анализе системы используемых зависимостей. Силовые и тепловые ограничения, накладываемые механикой и теплофизикой процесса, используются в качестве ограничительных функций и оптимизационной модели шлифования, которая состоит из теоретических и экспериментальных зависимостей. Использование теоретических разработок безусловно позволяет глубже осмыслить сложное взаимосвязанное явление происходящее при обработке высокоточных нежестких деталей, разработать модель процесса, но практическое применение этих разработок возможно только при детальном экспериментальном исследовании особенностей процесса.

Анализу кинематики шлифования посвящено много работ (Е.Н.Маслов, С.Г.Редько, Э.Ольден.). В анализируемых работах по кинематике рассматривается общепринятая модель процесса шлифования, которая не учитывает специфику профильного шлифования и имеющиеся допущения о «бесконечно большой» жесткости СПИД. Практические зависимости составляют один из элементов оптимизационной модели шлифования. Сложность заключается в большом многообразии видов операций шлифования, отличающихся своими целями (черновое, чистовое и т. п.) и необходимости одновременного выполнения целого ряда требований, зачастую противоречивых по своему характеру. Эти требования количественно выражаются в виде показателей процесса, которыми он оценивается, как правило, экспериментально. Один из этих показателей (критерий)(для повышения эффективности процесса полезно максимизировать (жесткость системы, стойкость круга и др.), другие минимизировать (шероховатость, силы резания и др.). Основными методами их решения на практике являются выбор одного критерия в качестве показателя эффективности (целевой функции) или сведение поочередно задач к однокритериальным. В последнем случае составляется функции из наиболее важных показателей. На остальные показатели накладываются ограничения (определенные границами требуемыми значениями). В работах многих ученых … рассматривались решение отдельных задач таких как: профильное шлифование, шлифование нежестких деталей, повышение производительности шлифования и др., тогда как в совокупности решение данных задач остается мало изученным. А именно повышение точности и производительности профильного шлифования нежестких протяжек, с выполнением других технических требований (шероховатость, качество поверхностного слоя и др.).

 

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: