Братан Сергій Михайлович. Технологічні основи забезпечення якості і підвищення стабільності високопродуктивного чистового та тонкого шліфування

Краткое описание

Братан Сергій Михайлович. Технологічні основи забезпечення якості і підвищення стабільності високопродуктивного чистового та тонкого шліфування : дис... д-ра техн. наук: 05.02.08 / Одеський національний політехнічний ун-т. - О., 2006.

Братан С.М. Технологічні основи забезпечення якості і підвищення стабільності високопродуктивного чистового та тонкого шліфування. Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за фахом 05.02.08. Технологія машинобудування. Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2006.
Дисертація присвячена вирішенню найважливішої науково-технічної проблеми забезпеченню стабільності показників якості при високопродуктивному чистовому і тонкому шліфуванні.
Для вирішення поставлених задач і цілей операція розглянута як динамічна система, де процес формоутворення поверхні досліджується не тільки в просторі, але і в часі. На основі системного підходу розглянута структура операції шліфування, сформульовані основні положення і принципи аналізу процесу шліфування.
Показано, що побудова граничних циклів можлива за рахунок розробки більш адекватних моделей процесу, які враховують зміну стану технологічної системи за часом.
Для забезпечення стабільності вихідних показників якості в дисертації розроблена методика динамічної стабілізації поводження технологічної системи відповідно до заданих порогових граничних режимів технологічних циклів, з мінімально припустимими запасами. На основі вивчення процесів, які відбуваються в технологічній системі при взаємодії деталі і шліфувального круга, розроблена модель динамічного об'єкту, яка характеризує відхилення від статичного режиму. Для діагностики ТС на основі динамічної моделі процесу синтезовано стохастичний спостерігач із блоком стохастичного підстроювання у формі фільтра Калмана-Бюсі. На основі отриманих динамічних моделей і оцінок, розроблена САК для стабілізації параметрів технологічної системи в процесі її функціонування.

1. Для забезпечення стабільності параметрів якості шліфованих поверхонь при високопродуктивному чистовому і тонкому шліфуванні операція розглянута як динамічна система, де процес формоутворення поверхні досліджується не тільки в просторі, але й за часом. На основі системного підходу розглянута структура операції шліфування, сформульовані основні положення і принципи аналізу цього процесу. При структурному аналізі операція шліфування розчленована по функціональних ознаках на підсистеми верстат пристосування, шліфувальний круг, заготовка, ЗОР, правлячий інструмент, зона правки, зона контакту. Визначено вхідні і вихідні перемінні та параметри станів кожної з підсистем.
2. Показано, що параметри технологічної системи можуть змінюватися за часом, передбачуваним і непередбаченим чином під дією різних чинників. Важливим показником якості технологічних систем обробки деталей і особливо ТС фінішних операцій є їхня стабільність. Відсутність стабільності при традиційних технологіях неминуче призводить до розкиду показників якості продукції, яка випускається. При форсованих технологічних режимах в силу зростання чутливості ТС до збурюючих чинників спостерігається втрата стабільності ТС і ТП.
3. Сформульовано і введено нове технологічне поняття порогового граничного циклу шліфування. Воно засноване на властивості досяжності стабільності заданої якості випускаємої продукції, що характеризує випуск виробів з гарантованими параметрами якості, незалежно від часу виготовлення і від впливу зовнішніх чинників, які знаходяться в деяких межах і визначають граничні параметри технологічних циклів.
4. Висунуто наукове положення про можливість забезпечення гарантованої якості виробів на операціях високопродуктивного чистового і тонкого шліфування, підданих впливу випадкових обурюючих чинників в умовах реалізації порогових граничних циклів, при наявності безупинної діагностики стану ТП і здійсненні динамічної стабілізації параметрів технологічного циклу безпосередньо в процесі обробки.
5. Показано, що побудова граничних циклів можлива за рахунок створення більш адекватних моделей процесу, які враховують зміну стану технологічної системи за часом.
6. Для створення адекватної моделі розглянута схема процесу шліфування, у якій враховане те, що абразивні зерна: не мають регулярної геометрії; розташовані на робочій поверхні інструменту на різних рівнях; при роботі зношуються і руйнуються. При аналізі процесу шліфування враховано, що радіус-вектори інструменту і заготовки випадкові, а їхні центри обертання зміщуються один відносно другого не тільки внаслідок наявності подач, але й внаслідок температурних та пружних деформацій. На основі розглянутої схеми процесу шліфування і основних положень теорії абразивної обробки розроблені залежності для обчислення імовірності видалення матеріалу в будь-якій точці зони контакту з урахуванням декількох одночасно протікаючих процесів формоутворення. Вони дозволяють прогнозувати знімання матеріалу, диференційовано оцінювати вплив окремих чинників на параметри якості деталі та швидкість протікання процесу.
7. Розроблена динамічна теоретико-вірогіднісна модель зносу абразивно-алмазного інструменту з урахуванням ерозійних процесів, які впливають на зв'язування абразивних зерен в шарі кругу. При побудові враховані розмірний знос, процеси сколювання і виривання одиничних абразивних зерен із зв’язки під дією складових сил різання, з урахуванням імовірності контакту зерен з металом, величини площинок зносу і дійсної глибини мікрорізання.
8. Встановлено, що основними причинами появи відхилень параметрів якості шліфованих поверхонь, є відхилення форми інструменту та вібрації в технологічній системі. На етапі врізання в межах ділянки заготовки, утвореної за один оберт шліфувального круга при одноразовому взаємному їх торканні, має місце часткова відсутність контакту; крок хвилястості відповідає числу хвиль на інструменті. Після здійснення наступних контактів періодичність кроку хвилястості відсутня унаслідок суперпозиції коливань і самоперерізания хвиль. За період стійкості інструмента збільшуються не тільки середні значення, але і дисперсії відхилень від округлості і хвилястості на його робочій поверхні. У шліфувального круга значимі амплітуди першої і переважаючої високочастотних гармонік. Вони є причинами утворення на деталі відповідно огранювання і хвилястості, які зростають з часом роботи інструменту.
9. Виконані експерименти по вивченню механізму створення обробленої поверхні підтверджують гіпотезу про необхідність дослідження показників якості обробки деталей на підставі аналізу динамічної взаємодії шліфувального кругу і заготовки, профіль і взаємне положення яких змінюються за часом.
10. Розроблено формалізований математичний опис операції чистового і тонкого шліфування, що дозволяє для будь-якого моменту часу при різних алгоритмах зміни режиму визначати фазові координати технологічної системи (взаємне розташування інструмента і заготовки, параметри зони контакту "інструмент-заготовка"), параметри якості оброблюваної поверхні (шорсткість, розміри, відхилення форми, фізико-механічний стан поверхневого шару, тощо), вихідні параметри процесу (швидкість знімання припуску, знос інструменту). Розроблений математичний опис дозволяє вирішити задачу побудови порогових граничних циклів керування операцією чистового і тонкого шліфування, при яких забезпечується мінімально можливий машинний час, мінімальна собівартість обробки деталей при обмеженнях якості поверхні виробу не гірше необхідного за прийнятою технологією. Виконані розрахунки дозволили визначити програмне керування для операцій чистового і тонкого шліфування опорних шийок розподільного валу двигуна МЕМЗ-245 (сталь 40Х) і деталей вирубних штампів (ВК20), для яких необхідно здійснювати стабілізацію параметрів технологічного процесу.
11. Встановлено закономірності динаміки формування знімання матеріалу, зносу інструменту і вихідних параметрів якості виробів на основі створення теоретико-вірогіднісної моделі і прогнозування стану ТС та обліку динаміки взаємодії інструменту і заготовки в процесі чистового і тонкого шліфування.
12. При обробці виробів на операціях чистового і тонкого шліфування спостерігається тісний зв'язок вихідних перемінних із вхідними перемінними і алгоритмом керування. На технологічну систему операції шліфування впливає комплекс збурюючих чинників, які викликають розкид показників якості оброблюваних деталей. Основним джерелом збурювань у технологічній системі є варіації форми шліфувального кругу. Відхилення форми шліфувального кругу в стохастичному режимі мають випадковий характер і породжують шум збудження системи. Внаслідок впливу на технологічну систему збурюючих чинників, фазові координати об'єкту можуть бути обмірені з істотними випадковими помилками. Для реалізації оптимального керування процесом необхідно оцінювати його стан.
13. Розроблено математичну модель процесу взаємодії шліфувального круга і заготовки, яка враховує вплив варіацій форми шліфувального круга і її спектральний склад, що дозволяє описувати відхилення стану технологічної системи від номінального режиму в реальному масштабі часу. На основі розроблених моделей для операції чистового і тонкого шліфування та теорії фільтрації Калмана-Бюсі синтезована підсистема оцінки вектора стануз мінімально досяжною середньоквадратичною похибкою (стохастичний спостерігач) і зроблене визначення його параметрів.
14. Побудований стохастичний спостерігач дозволяє здійснювати безупинну діагностику стану операції чистового і тонкого шліфування з урахуванням стохастичної природи, що дає можливість одержувати інформацію про стани ТП безпосередньо в процесі обробки.
15. На основі розроблених математичних моделей і отриманих оцінок стану синтезована САК операцією чистового і тонкого шліфування, застосування якої дозволяє стабілізувати режими процесу та ефективно використовувати порогові граничні цикли без втрати стабільності показників якості виробів.
16. На Мелітопольському моторному заводі в рамках комплексної програми Автомобіль України 2000” Мінмашоборонпрому річний економічний ефект при обробці деталей штампового оснащення склав 17 187 карбованців у рік (на жовтень 1991 р.), при обробці деталей автомобілів -150.000.000 крб. на один верстат у рік (за цінами 1995 р.) і 14597 гривень на один верстат (за цінами 2000 р.).