Методика построения информационной базы для проектирования шлифовальных операций

УДК 621.93

Методика построения информационной базы для проектирования шлифовальных операций

Д. В. Исаков, канд. техн. наук, доцент,

Южно-Уральский государственный университет

Ключевые слова: операция шлифования, шлифовальный круг, измерительный стенд, режим шлифования, нормативы режимов резания.

Изложена методика построения информационной базы для проектирования экономически эффективных шлифовальных операций, основанная на получении данных расчетным и экспериментальным способами. Сформирован комплекс показателей, необходимых для решения задачи оптимизации шлифовальной операции. Создан стенд на базе шлифовального станка с ЧПУ и ЭВМ, позволяющий получать и обрабатывать информацию о параметрах процесса шлифования. Разработан алгоритм определения оптимальных режимов шлифования.

В настоящее время одними из основных источников информации, используемых для проектирования шлифовальных операций, являются общемашиностроительные нормативы режимов резания для технического нормирования работ на шлифовальных станках [1], созданные более тридцати лет назад сотрудниками кафедры «Технология машиностроения» Южно-Уральского государственного университета. Бесспорные преимущества общемашиностроительных нормативов — это простота и наглядность получения данных, необходимых для проектирования операций шлифования. Собранная с большого числа машиностроительных предприятий информация охватывает широкий диапазон различных видов шлифования и учитывает различные условия выполнения операций. Тем не менее, несмотря на очевидные достоинства нормативов, они имеют ряд существенных недостатков, к числу которых можно отнести следующие:

• в нормативах содержится лишь часть огромной номенклатуры характеристик шлифовальных кругов;

• в нормативах приведены усредненные величины режимов резания, которые могут существенно отличаться от оптимальных;

• информация, представленная в нормативах, достаточно разнородна по методам, средствам и условиям ее получения и измерения;

• добавлять новую информацию (о шлифовальных кругах, обрабатываемых материалах, станках и др.) в существующие нормативы практически невозможно.

Таким образом, уже давно появилась необходимость в создании новой информационной базы, предназначенной для проектирования шлифовальных операций. При построении такой базы необходимо учитывать следующие требования:

• исходные данные должны быть объективными и для обеспечения их сопоставимости получены в одних и тех же технологических условиях;

• информационная база должна обеспечивать возможность перерасчета данных, полученных при одном виде шлифования, в аналогичные данные для других видов шлифования;

• необходимо предусматривать возможность добавления новой информации (о шлифовальных кругах, обрабатываемых материалах, станках и др.);

• содержащаяся в базе данных информация должна обеспечивать возможность проектирования оптимальных шлифовальных операций.

С учетом этих требований построение базы данных, предназначенной для проектирования оптимальных шлифовальных операций, возможно только на основе нового методологического подхода, отличного от подхода, заложенного при создании общемашиностроительных нормативов. С этой целью разработан расчетно-экспериментальный метод, суть которого заключается в том, что получаемые в процессе шлифования данные дополняют и расширяют возможности существующих и экспериментально проверенных

аналитических зависимостей процесса шлифования (например, аналитические зависимости для расчета составляющих силы резания [2], шероховатости шлифуемой поверхности [3] и т. д.). Расчетно-экспериментальный метод включает два этапа. На первом проводятся эксперименты (испытания шлифовальных кругов), в результате которых устанавливаются неизвестные значения параметров, входящих в расчетные зависимости. На втором этапе эти зависимости используются для определения оптимальных значений параметров режимов резания.

Построение базы на основе расчетно-экспе-риментального метода предполагает решение следующих задач:

• выбор области применения создаваемой базы и конкретизацию условий выполнения проектируемых шлифовальных операций;

• формирование состава данных, необходимых для проектирования шлифовальных операций;

• разработку способов получения данных;

• построение алгоритмов поиска экономически эффективного варианта выполнения операции.

Создаваемая информационная база предназначается для проектирования наиболее распространенных на практике шлифовальных операций, выполняемых на кругло-, плоско-и внутришлифовальных станках, оснащенных системами управления, обеспечивающими возможность работы как с постоянными режимами резания, так и по циклу: постоянный режим — выхаживание.

Проектирование шлифовальных операций, выполняемых на таких станках, предполагает решение двух основных задач: выбор характеристики шлифовального круга и назначение режимов резания, при которых с минимальной себестоимостью обеспечиваются требования, предъявляемые к точности и качеству шлифованных поверхностей. При таком подходе задача проектирования шлифовальной операции относится к оптимизационной, поэтому при определении состава (комплекса) данных исходили из условий обеспечения возможности ее решения.

Комплекс данных формируется на основе анализа формализованной постановки задачи оптимизации шлифовальной операции (целевой функции и системы ограничений). В общем случае целевая функция имеет следующий вид:

Соп - тм [С1 + (СхХщ) + С2$а пр)Т 1

+ С2^а + С3#ш ] ^ т1п,

где Соп — себестоимость операции; С1 — переменная часть станко-минуты; С2 — стоимость единицы объема рабочей части круга; С3 — стоимость 1 кВт/ч электроэнергии; тм — время, затрачиваемое на снятие припуска; тпр — время правки круга; Оа — интенсивность износа шлифовального круга в процессе шлифования; Ыш — эффективная мощность шлифования; Т — время между правками круга (стойкость круга); Оа. пр — объем абразива, снимаемого при правке круга.

По условиям построения оптимизационной модели в систему ограничений целевой функции входят параметры, определяющие точность обработки и качество шлифованных поверхностей.

Комплекс параметров включает следующие ограничения:

• погрешность лимитирующего параметра 5д шлифуемой поверхности должна находиться в пределах допуска, заданного в чертеже [5т]

5д < [5Т];

• достигаемая на операции шероховатость Яа д поверхности должна быть не хуже требуемой [.Ка т]

^а д < [-^а т];

• глубина тепловых повреждений (при-жог) Нд не должна превышать допустимого предела [Нт]

Нд < [йт].

По способу определения все параметры, входящие в целевую функцию и систему ограничений, могут быть разделены на три группы. В первую входят параметры, значения которых известны и содержатся в нормативно-справочной литературе. В эту группу входят экономические параметры С1, С2, С3. Ко второй группе отнесены параметры, значения которых рассчитываются по известным формулам, а все необходимые для расчета данные могут быть получены без проведения экспериментов. В эту группу входят параметры тм, хпр и Оа. пр. Третья группа включает параметры, для определения значений которых необходимо проводить эксперименты. К таким параметрам относятся Яа д, 5д, Нд, Т, Оа и Ыш. Параметры, входящие в третью группу, непосредственно или косвенно связаны с режимами резания и с эксплуатационными свойствами шлифовального круга.

Точность обеспечиваемого параметра 5д зависит от большого числа факторов: геометри-

ческих погрешностей станка и приспособления, неточностей измерения и многих других причин, не связанных с режимами резания. Напрямую с ними связана величина деформации технологической системы под действием силы резания. Во многих случаях величина деформации является доминирующим фактором, определяющим точность обеспечиваемого параметра. В связи с этим в систему ограничений обычно включают радиальную составляющую силы резания Ру, а величину деформации рассчитывают по формуле

5д = ],

где 5д — максимальная величина деформации технологической системы под действием радиальной составляющей силы резания; Ру — радиальная составляющая силы резания; ] — жесткость технологической системы.

Значение Nш может быть выражено через тангенциальную составляющую силы реза-

ния Рг:

Nш = РгУкЛм>

где Ук — скорость шлифовального круга; г|м — КПД привода шлифовального круга.

Взаимосвязь (3) позволяет включать в систему ограничений вместо Nш параметр Рг.

Часто применяемый в практике шлифования двухступенчатый цикл обработки позволяет эффективно обеспечивать высокое качество шлифуемой поверхности. На этапе выхаживания значительно (примерно в два раза) снижается шероховатость, полученная на первом этапе цикла. Это предопределяет необходимость включения в базу данных двух параметров: шероховатость, получаемую при постоянном режиме обработки, — Яа, и шероховатость, достигаемую на этапе выхаживания, - Яа д.

Ограничение по бездефектности поверхности не включено в базу данных по следующим соображениям. В большинстве случаев в чертежах деталей задают не глубину прижога, а его отсутствие, т. е. Нд = 0. Это связано главным образом с тем, что измерение толщины поверхностного слоя с измененной структурой (прижог) — довольно трудоемкая процедура. Поэтому в тех случаях, когда возможно появление прижога, в качестве критерия стойкости круга принимают время шлифования до момента появления прижога либо выбирают шлифовальный круг и режимы резания, не допускающие его появления [4].

Таким образом, комплекс параметров, необходимых для проектирования оптимальных шлифовальных операций, включает Яа, Яа д, Ру, Рг, Яа и Т.

Значения составляющих силы резания определяются по формулам, выведенным на основе расчетной схемы С. Н. Корчака [2]:

Ру =

Рг =

\]3,25Л^т в вт в1

ч _

д/3,25^еов в вт в1

+ 0,5^

+ 0,5^

-;

с

^.

В этих формулах Рг и Ру — соответственно тангенциальная и радиальная составляющие равнодействующей силы резания, отнесенные к 1 мм рабочей высоты шлифовального круга; Нэ — эквивалентная толщина стружки; 1к — длина дуги контакта шлифовального круга с заготовкой; | — относительная площадь площадок затупления; т — коэффициент трения между абразивным зерном и материалом заготовки; Р1 — граничный угол сдвига, зависящий от величины переднего угла резания и степени усадки стружки; р — угол между направлением скорости резания и равнодействующей силы сдвига; с — постоянный коэффициент, устанавливающий соотношения между касательными и нормальными напряжениями; <а — средняя интенсивность напряжений в зоне контакта абразивного зерна с металлом.

Шероховатость шлифуемой поверхности Яа и шероховатость шлифуемой поверхности, достигаемая на этапе выхаживания [3], рассчитываются по формулам:

Яа =

1,4Нэ Яп^кРс

Яад 6,28

Уд Япахп

\2

кКЕУкZhЪc у

где Zh — концентрация абразивных зерен в поверхностном слое шлифовального круга; Ьс — средняя длина среза; ЯтаХп — максимальная высота микропрофиля при максимальной глубине резания в процессе цикла шлифования; Ук — скорость шлифовального круга; Уд — скорость заготовки;

КЯ = ^Ок^^^Ск+^д) — для круглого наружного шлифования; Кя = ^(Ок - — для внутреннего шлифования; Кв = ^ Ск —

для плоского шлифования; Бк — диаметр шлифовального круга; д,д — диаметр заготовки.

Стойкость шлифовального круга и интенсивность его износа определяются по эмпирическим зависимостям.

Стойкость рассчитывается по формуле [5]

Т - СтК,

где Ст и п — соответственно коэффициент и показатель степени, устанавливаемые экспериментально.

Интенсивность износа шлифовального круга, отнесенная к 1 мм его рабочей поверхности, определяется по формуле

оа -

п(Бк. н - АР)АР Т '

где Бк н — диаметр шлифовального круга после его правки перед началом обработки; АР — радиальный износ шлифовального круга за период его стойкости.

Величина радиального износа рассчитывается по известной из теории износа формуле [6]

где Ом — скорость съема металла, отнесенная к 1 мм рабочей ширины шлифовального круга.

Многочисленными экспериментами установлено, что графики изменения значений параметров процесса шлифования в зависимости от эквивалентной толщины стружки йэ для различных видов шлифования идентичны [8, 9, 10, 11]. Это, по мнению ряда авторов, позволяет по результатам экспериментов, полученных при одном виде шлифования, прогнозировать значения аналогичных параметров для других видов шлифовальных операций. Для практической реализации этого утверждения необходимо, чтобы технологические условия шлифования (характеристика шлифовального круга, обрабатываемый материал, скорость шлифования, эквивалентная толщина стружки и др.) при различных видах шлифовальных операций были одинаковыми.

Значение йэ можно рассчитать по кинематическим параметрам для различных видов шлифования, например:

• для круглого шлифования с радиальной подачей

АР = 1н1кПкТ,

К -

п^фпд

V в

где 1н — безразмерный коэффициент, характеризующий интенсивность износа шлифовального круга; пк — частота вращения шлифовального круга.

В формулах для расчета значений этих параметров зависимость от режимов резания устанавливается через обобщенный показатель режимов резания — эквивалентную толщину стружки Нэ. Важность этого параметра требует разъяснения его физического смысла. Эквивалентную толщину стружки можно представить как толщину сплошной ленты металла, выходящей из зоны резания со скоростью шлифовального круга. Площадь поперечного сечения такой ленты равна сумме площадей поперечных сечений всех стружек, формирующихся одновременно в зоне резания, т. е.

й в -2 Д,

г-1

где В — ширина шлифования; Zp — концентрация режущих зерен; Д — площадь поперечного сечения стружки, снимаемая г-м зерном.

С другой стороны, значение йэ определяется по формуле

Н -

К

• для круглого шлифования с продольной подачей

п^фпд 5ос К - ;

• для плоского шлифования периферией круга

Нэ -

/ V я

ф д ос

V В

В этих формулах £ф — фактическая глубина резания; пд — частота вращения заготовки; йос — осевая подача (на один оборот заготовки или на один рабочий ход).

Необходимость проведения экспериментов (испытаний шлифовальных кругов) обусловлена тем, что во всех расчетных зависимостях содержатся параметры, значения которых могут быть установлены только экспериментальным способом. К таким параметрам относятся: ^ и а^ в формулах (4) и (5); Ст и п в формуле (8); 1н в формуле (10).

Методика испытаний шлифовальных кругов разработана с целью построения базы данных для проектирования оптимальных шлифовальных операций. Для решения этой задачи

Рис. 1. Функциональная схема формирования базы данных

база данных встраивается в систему автоматизированного проектирования шлифовальных операций. Функциональная схема такой системы представлена на рис. 1. В блок исходных данных системы поступает информация об основных параметрах процесса шлифования: Ру, Рг, АЯ, Яа, Яа д и Т, полученных непосредственно в процессе испытания шлифовального круга при определенной скорости подачи. Одновременно в блок исходных данных поступает информация о технологических условиях проведения испытания: о характеристиках шлифовального круга, свойствах обрабатываемого образца, правящем инструменте и режимах правки, СОТС, режимных параметрах процесса шлифования (Ук, Уд, пд и др.).

Испытания шлифовальных кругов проводятся на измерительно-вычислительном стенде (ИВС), созданном на базе серийного станка с ЧПУ (модели 3М151Ф2). Стенд предназначен для измерения и регистрации различных параметров процесса шлифования, ввода результатов измерений в ЭВМ, первичной обработки, сортировки, хранения и графического отображения информации, а также программного управления режимами обработки.

Для выполнения этих функций ИВС оснащен датчиками для измерения радиальной и тангенциальной составляющих силы резания, которые вместе со штатными контрольно-измерительными приборами — частоты вращения заготовки, активного контроля ее диаметра, количества правок круга, размерного износа круга — подключены к общей шине ЭВМ.

Методика испытаний включает шлифование образцов из материалов, принадлежащих к различным группам обрабатываемости (всего 6 групп). Частоту вращения образца, режимы правки, СОТС выбирают по рекомендациям, изложенным в общемашиностроительных нормативах [1]. В качестве критерия стойкости шлифовального круга принято время обработки до появления вибрации, вызванной увеличением силы Ру на 30-40 % по сравнению с силой при относительно стабильном периоде шлифования. Шероховатость шлифованной поверхности измерялась по окончании периода стойкости профилометром «Абрис ПМ7».

После элементарной машинной обработки полученная информация поступает в блок моделей. В этом блоке заложены математические модели процесса шлифования: модель формирования рельефа рабочей поверхности шлифовального круга в процессе шлифования [3]; кинематическая модель процесса шлифования [7]; силовая модель процесса шлифования [2]; модель стойкости шлифовального круга [5]; модель шероховатости шлифованной поверхности [3] и др. Путем подстановки входящей информации в формулы (4)-(10) устанавливаются неизвестные величины: с^, а также значения коэффициентов и показателей степеней Ст, Iл и п. В дальнейшем эти величины используются для расчета показателей процесса шлифования при других видах шлифования. Выходная информация указанного блока используется для формирования базы данных. В табл. 1 представлены значения параметров процесса шлифования, установленные при различных эквивалентных толщинах стружки Нэ. По данным, содержащимся в этой таблице, можно определить скорость радиальной подачи, при которой обеспечиваются требования, предъявляемые к шероховатости шлифованной поверхности, а при известных параметрах жесткости станка — и требования к точности лимитирующего параметра. Для определения режимов резания при проектировании других видов шлифовальных операций производят расчет величины Нэ по различным сочетаниям значений параметров режимов резания для данного вида шлифования.

Таблица 1

Результаты расчетов основных показателей процесса шлифования

Обрабатываемый образец

Размеры, мм ........................................... С = 100, й = 23, В = 10

Материал................................................ Сталь 45

Твердость................................................ 42-45 ИКС

Вид шлифования..................................... Круглое наружное с радиальной подачей

Режимы шлифования

Скорость шлифовального круга Ук, м/с...... 50

Частота вращения образца пд, мин-1.......... 100

СОТС...................................................... Содовый раствор

Критерий стойкости шлифовального круга Увеличение радиальной составляющей

силы резания на 30% Правка шлифовального круга

Правящий инструмент............................. Алмазно-металлический карандаш

Режим правки......................................... поп = 0,03 мм; 8црод = 0,4 м/мин; Ь = 4; гвых = 4

Показатель процесса шлифования Эквивалентная толщина стружки кэ , мкм

0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,22 0,35

Радиальная составляющая силы резания Ру, 1,7 3,7 5,3 6,5 8,1 12,0 17,0

И/мм высоты круга

Тангенциальная составляющая силы резания Рг, 0,8 1,8 3,2 4,3 5,8 8,1 11,0

И/мм высоты круга

Шероховатость поверхности при шлифовании 1,5 1,8 1,9 2,0 2,2 2,5 2,8

без выхаживания Яа, мкм

Шероховатость поверхности при шлифовании 0,8 1,0 1,2 1,3 1,4 1,8 1,9

с выхаживанием Яа д, мкм

Объем абразива, изношенного за период стойкости 220,0 180,0 150,0 125,0 112 65 45

шлифовального круга ¿а, мм3/мм высоты круга

Стойкость шлифовального круга Т, мин 45,6 32,1 20,4 15,5 9,7 8,1 6,2

Таблица 2

Расчетные значения эквивалентной толщины стружки кэ при плоском шлифовании периферией круга на станках с прямоугольным столом

Скорость движения стола Уд, м/мин Глубина резания ¿ф, мм Осевая подача Яос, мм/ход

8 12 18 27 38 65

10 0,02 0,010 0,015 0,022 0,033 0,047 0,081

0,04 0,020 0,030 0,050 0,066 0,094 0,162

0,06 0,030 0,045 0,067 0,099 0,151 0,243

0,08 0,040 0,060 0,090 0,129 0,188 0,324

В качестве примера приведена табл. 2, в которой представлены расчетные значения Нэ для операции плоского шлифования периферией круга. Алгоритм выбора режимов резания заключается в следующем: сначала определяют эквивалентную толщину стружки Нэ, при которой обеспечиваются требования чертежа, затем находят оптимальные сочетания параметров режимов резания, соответствующие определенному значению Нэ.

Блок оптимизации предназначен для выработки оптимальных ответов на запросы (на-

пример, потребителей шлифовальных кругов), поступающие в базу данных. Поиск оптимального решения осуществляется методом динамического программирования [12]. Этот метод относится к методам дискретной оптимизации и по сути своей является методом ускоренного направленного перебора. Процедура поиска заключается в том, что сначала из всех возможных состояний значений параметров режимов резания выбираются только допустимые, т. е. такие, при которых выполняются все ограничения. Затем из всех допустимых

вариантов выбирается оптимальный, удовлетворяющий целевой функции (1).

С использованием метода динамического программирования в АО «Уральский научно-исследовательский институт абразивов и шлифования» в настоящее время ведутся разработки общемашиностроительных нормативов режимов резания для шлифовальных станков с ЧПУ. Для решения задачи оптимизации шлифовальных операций блок оптимизации использует вспомогательную базу данных по характеристикам станков, обрабатываемых материалов и др., а также экономические показатели операций. Выходная информация может выдаваться в виде справочных таблиц, номограмм, графиков для определения режимов шлифования и нормирования работ либо в виде специально рассчитанных оптимальных режимов резания или управляющих программ для станков с ЧПУ.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что только автоматизированные информационные системы позволяют решать задачи проектирования шлифовальных операций на современном уровне.

Перспективным направлением является создание и эксплуатация автоматизированных информационных систем на предприятиях — изготовителях шлифовальных кругов. Подобные системы помимо названных задач позволяют решать задачи проектирования шлифовальных кругов по заданным эксплуатационным свойствам и управления качеством изготовления инструмента.

Выводы

1. Существующие общемашиностроительные нормативы режимов резания для технического нормирования работ на шлифовальных станках не отвечают требованиям, предъявляемым к современному режимно-инструментальному оснащению шлифовальных операций.

2. Сформулированы требования к информационному обеспечению проектирования шлифовальных операций, в соответствии с которыми сформирован комплекс математических моделей и разработана методика проведения испытаний шлифовальных кругов.

3. Разработанный расчетно-эксперименталь-ный метод, включающий комплекс математических моделей, методику проведения экспериментов (испытание шлифовальных кругов) и способ поиска оптимальных режимов резания, позволяет в оперативном режиме получать все необходимые данные для проектирования оптимальных шлифовальных операций.

Литература

1. Общемашиностроительные нормативы режимов резания и норм времени для работы на шлифовальных станках. М.: ЦБНТ, 1978. 358 с.

2. Корчак С. Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей М.: Машиностроение, 1973. 280 с.

3. Исаков Д. В. Проектирование производительных шлифовальных операций на основе расчетного определения эксплуатационных показателей шлифовального круга: Дис. ... канд. техн. наук. Челябинск: Изд-во ЧГТУ, 2000. 152 с.

4. Фадюшин О. С. Разработка расчетной методики назначения характеристики шлифовального круга по тепловому ограничению для автоматизированного проектирования операций шлифования. Челябинск: Изд-во ЧГТУ, 1992. 152 с.

5. Филимонов Л. Н. Стойкость шлифовальных кругов. Л.: Машиностроение, 1973. 157 с.

6. Сальников А. Н. Трение шероховатых поверхностей в экстремальных условиях. Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 1987. 134 с.

7. Маслов Е. Н. Теория шлифования материалов. М.: Машиностроение, 1974. 320 с.

8. Peters J., Decnent A., Aerens R. Coefficients caructeristiques por le calcul du fini de surface et des efforts de coupe en rectification, cilindrique. Machin-Outil, 1974, N 308-310.

9. Snoeys R., Peters J. The Significance of chip thickness in Grinding. Annals of the CIRP, 1974. Vol. 23, N 2.

10. Глаговский Б. А., Ройтштейн Г. Ш. Определение и контроль динамических характеристик шлифовальных кругов. Л.: НИИМАШ, 1976. 76 с.

11. Кравченко Ю. Г. Исследование процесса высокопроизводительного шлифования сложнолеги-рованных быстрорежущих сталей кругами на керамической связке. Дисс. . канд. техн. наук. М., МВТУ им. Баумана, 1980. 231 с.

12. Щербина О. А. Методологические аспекты динамического программирования // Динамические системы, 2007. Вып. 22. С. 21-36.