Экспериментальное исследование связи динамических характеристик шлифовальных станков и качества обработки валов для определения наибольшей эффективности процесса щлифования

УДК 621.923

А.А. Игнатьев, В.В. Коновалов, Н.В. Григорьева

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВЯЗИ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКОВ И КАЧЕСТВА ОБРАБОТКИ ВАЛОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАИБОЛЬШЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ЩЛИФОВАНИЯ

Приводятся результаты экспериментальных исследований связи динамических характеристик шлифовальных станков и качества обработки малогабаритных валов для определения наибольшей эффективности процесса шлифования.

Виброакустические колебания станка, запас устойчивости динамической системы, правка шлифовального круга, качество обработки

A.A. Ignatiev, V.V. Konovalov, N.V Grigorieva

EXPERIMENTAL RESEARCH INTO RELATIONSHIP BETWEEN THE DYNAMIC CHARACTERISTICS OF GRINDING MACHINES AND SHAFT MACHINING QUALITY

TO DETERMINE MAXIMUM EFFICIENCY OF THE GRINDING TECHNOLOGY

The paper provides the results of experimental research into the dynamic characteristics of grinding machines and processing quality of small shafts to determine the highest efficiency of the grinding process.

The vibroacoustic vibrations of the machine, dynamic stability margin of the system, edit the grinding wheel, the quality of processing

Одним из важнейших процессов финишной обработки малогабаритных валов является шлифование на автоматизированных станках. К снижению качества валов приводит влияние ряда факторов, сопровождающих шлифование, например высокие температуры, что влечет истирание режущих кромок абразивных зерен шлифовального круга, скалывание режущих кромок, заполнение свободных пор металлической стружкой и ряд других факторов [1,2]. Качество обработки малогабаритных валов обеспечивается управлением процессами шлифования, в основе которых лежит анализ возмущающих факторов. Одним из возмущающих факторов являются динамические процессы, протекающие в технологической системе, оценивающиеся с помощью виброакустических (ВА) колебаний при обработке. Амплитуда и частотный состав ВА колебаний при шлифовании являются основными показателями динамических характеристик станков, они оказывают существенное влияние на формирование геометрических показателей точности, таких как отклонение от круглости, огранка, волнистость и шероховатость валов, а также на качество поверхностного слоя валов.

В результате воздействия вибрационной возмущений в системе «деталь-инструмент» на поверхности вала при шлифовании сформировывается определенный микрорельеф. Частотные диапазоны ВА колебаний соответствуют погрешностям профиля и шероховатости различного рода[1].

С целью проведения оценки динамических характеристик станков по ВА колебаниям разработана методика эксперимента следующего рода:

1) определение места установки вибродатчика;

2) выбор метода обработки ВА колебаний для определения запаса устойчивости динамической системы( ДС);

3) формирование рекомендаций по выбору рационального интервала между правками круга на основе оценки качества обрабатываемой поверхности по геометрическим параметрам точности и физико-механическим характеристикам поверхностного слоя.

Основываясь на результатах использования данной методики в производственных условиях принимается решение о выборе интервала между правками круга для наибольшей эффективностью шлифования c сохранением заданной точности обработки [1,3]. Наилучшее качество обработки достигается при большем запасе устойчивости ДС станка [4]. В данном случае предлагается оценка запаса устойчивости по показателю колебательности Mmax, определяемому из амплитудно-частотной характеристики ДС (рекомендуемые значения Mmax = 1.1...1.5) [5]. Из передаточной функции замкнутой ДС станка W3 (P) полученный посредством обработки зарегистрированных ВА колебаний ДС, путем замены P = jffl получается частотная функция с W3(jw) . Далее из нее можно вычислить амплитудно-частотную характеристику (АХЧ) A(w), на основе которой определяется запас устойчивости замкнутой ДС по показателю колебательности.

M =UML

max A

[ A(w)]max - максимальное значение АЧХ; А(0) - значение АЧХ при w=0

В ходе проведения экспериментальных исследований, вибродатчик ДН-3 устанавливался в различных точках на автоматизированном шлифовальном станке с ЧПУ Weiss WKG-05, для определения наиболее информативного источника сигнала, а именно: вблизи зоны шлифования, на шпиндельном узле детали, на шпиндельном узле инструмента.

Сигналы с датчика подавались на виброизмеритель ВШВ-003 и регистрировались в режиме линейного усиления (измерение общего уровня вибраций в диапазоне частот 1...4000 Гц). Далее выход виброизмерителя подключался к ноутбуку Dell для наблюдения в реальном времени формы и амплитуды регистрируемых сигналов во всем интервале между правками круга. Все сигналы были записаны на ноутбук (полоса частот записи и воспроизведения сигналов 3. 12000 Гц) для последующей обработки в программной среде Mathlab.

В производственных условиях оценивалась эффективность шлифовальной обработки валов из стали 44SMn28. Валы имеют следующие типоразмеры: длина 135 мм, внешний диаметр 14,5 мм. Обработка производилась с помощью шлифовального круга I II I 500*41*127 мм, марка материала круга -2А80М8У2ЛН. Основные данные по режиму шлифования: скорость вращения шпинделя детали - 600 об/мин, скорость вращение шпинделя круга - 2000 об/мин, припуск - 0,1 мм, подача - 0,0005 мм/об.

После обработки валы измерялись на вихретоковом дефектоскопе ПВК-К2М для выявления неоднородности структуры поверхностного слоя (прижоги, микротрещины и другие дефекты) валов после шлифования, для классификации дефектов использовалась балльная система оценки качества поверхности. Геометрические показатели качества измерялись на профилометре Hommel tester T1000 (паспортная погрешность 0,002 мм) (рис. 2), кругломере Talyrond-131 (паспортная погрешность 0,001мм) (рис. 3), приборах Twinner T4M (паспортная погрешность 0,002мм) (рис.4) и Premetec (паспортная погрешность 0,001мм) (рис. 5), позволяющими определить геометрические показатели качества обработки валов.

Рис. 2. Профилометр Hommel tester T1000 Рис. 3. Кругломер Talyrond 131

Рис. 4. Прибор Twinner T4M Рис. 5. Установка для измерения биения Premetec

Таким образом, результаты проведенных экспериментов на шлифовальном станке при обработке малогабаритных валов по мере износа круга с изменением геометрических параметров точности (шероховатость, отклонение от круглости, прямолинейность профиля, радиальное биение вала) (рис. 5). и физико-механических параметров поверхностного слоя, измеренных вихретоковым методом, что дало возможность установить реальный момент правки круга. Осуществление правки круга с интервалом в 30 валов, установленным по применяемому технологическому процессу, не является целесообразным, т.к. параметры качества деталей находятся в пределах допустимых значений и разброс значений показателя колебательности не превышает 11 %, что в данном случае является допустимым. Результаты измерения представлены на рис. 6 [4, 6].

Рис. 6. Результаты измерения показателей качества шлифования и запаса устойчивости

По результатам анализа видно, что вал №84 находится за границей допустимых значений по геометрическим показателям качества, показатель колебательности на валу №85 также имеет значение, превышающее значение показателя колебательности при стационарном режиме. Частая правка круга приводит к необоснованному расходу абразивного инструмента и в конечном итоге сказывается на суммарной стойкости инструмента. Если же время работы абразивного инструмента после последней правки превысит период его оптимальной стойкости, то это может привести к ускоренному износу круга, появлению волнистости на его поверхности, к снижению режущей способности и точности обработки.

Рекомендуемый период правки круга - 75 валов. Рассмотренный метод позволяет экономить режущий и правящий инструменты и может рассматриваться как путь снижения себестоимости изготовления изделия и повышения эффективности шлифования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Аршанский М.М., Щербаков В.П. Вибродиагностика и управление точностью обработки на металлорежущих станках. М.: Машиностроение, 1988. 136 с.

2. Кудинов В.А. Динамика станков / В.А. Кудинов. М: Машиностроение, 1967. 359 с.

3. Никифоров, И.П. О некоторых пробелах в теории шлифования / И.П. Никифоров // Металлообработка. - 2007.- №1. - С. 2-8.

4. Козлов Д.В. Экспериментальное исследование частоты правки шлифовального круга / Д.В.Козлов, А.А.Игнатьев // Вестник Саратовского государственного технического университета 2011. №2 (56). С. 80-84.

5. Бесекерский В. А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. 768 с.

6. Игнатьев А.А. Определение периодичности правки шлифовального круга по виброакустическим колебаниям / А.А. Игнатьев, В.В. Коновалов, Д.В. Козлов // Вестник Саратовского государственного технического университета 2014. № 1(74). С. 71-74.

Игнатьев Александр Анатольевич -

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автоматизация и управление, мехатроника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Alexander A. Ignatiev -

Dr. Sc., Professor,

Head: Department of Automation, Control and Mechatronics

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Коновалов Валерий Викторович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Григорьева Наталия Валерьевна -

магистрант кафедры «Технология машиностроения» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Статья

Valery V. Konovalov -

Ph. D., Associate Professor

Department of Mechanical Engineering Technology,

Yuri Gagarin State Technical University

of Saratov

Natalia V. Grigorieva -

Master's Degree Student,

Department of Mechanical Engineering Technology, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

пила в редакцию 12.11.14, принята к опубликованию 25.12.14