CC BY
13
УДК 621.9.079.014.4.079
В. Ф. ГУРЬЯНИХИН, В. В. АГАФОНОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ КРУГЛОГО НАРУЖНОГО ВРЕЗНОГО ШЛИФОВАНИЯ ПО ИНТЕНСИВНОСТИ ЗВУКОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Исследованы связи между переходной характеристикой процесса шлифования (постоянной времени) и интенсивностью акустических (звуковых) сигналов при различных режимах шлифования. Показана возмоэ/сность определения постоянной времени переходного процесса и управления циклом шлифования по звуковому излучению.
При круглом наружном врезном шлифовании оптимальный цикл обработки определяется минимальным временем, регламентируемым изменением скорости врезной подачи в зависимости от текущей величины припуска. Вследствие большой инерционности процесса врезного шлифования на продолжительность этого времени существенное влияние оказывают переходные процессы при врезании шлифовального круга (ШК) в заготовку, переключении подачи в процессе обработки и при выхаживании.
Изменение скорости врезной подачи ШК в переходном процессе, а следовательно, и время переходного процесса, характеризуются постоянной времени Тп технологической системы, зависящей в основном от режущей способности круга и жёсткости этой системы. Поэтому точность оценки постоянной времени, особенно на этапе врезания, существенно сказывается на производительности и качестве обработки заготовок. Для уменьшения потерь времени на переключение скорости быстрого подвода шлифовальной бабки на рабочую подачу круглошлифовальные станки оснащают автоматическими врезными устройствами, которые определяют положение ШК относительно заготовки и формируют дискретную команду на переключение привода подач в момент касания кругом заготовки [1] по достижению заданного значения одного из параметров, характеризующих процесс врезания, например, мощности, силы резания, снятого припуска и др.
Однако точность определения постоянной времени Тп на основе указанных параметров вследствие случайных помех и невысокой чувствительности датчиков не превышает 20 - 25%. Поэтому авторы оценивали величину Тп по интенсивности акустических (звуковых) сигналов в переходном процессе, регист- 4 рация которых в процессе шлифования отличается надёжностью, быстродействием и высокой чувствительностью (Ао >3-Ао , где , А о -
4 ^Х Х. ' ¿пик *ХХ.
амплитуда
О В. Ф. Гурьянихин, В. В. Агафонов, 2005
звукового давления соответственно в процессе шлифования и при холостом ходе) [2]. Кроме того, экспериментально установлено (рис. 1), что при круглом наружном врезном шлифовании амплитуда А3 звукового давления пропорциональна изменению скорости врезной подачи 5М величине снимаемого припуска 7 и частоте вращения заготовки лд. Эта зависимость позволяет при разработке алгоритма управления процессом шлифования адекватно описать реальный процесс съёма припуска изменением амплитуды звукового давления А3.
Выбрав в качестве выходного параметра скорость изменения амплитуды звукового давления, определяющую характер протекания процесса шлифования и его отклонения от нормы, задачу построения автоматического цикла шлифования можно сформулировать как задачу об оптимальном быстродействии [3]: математически задача состоит в том, чтобы выбрать управляющее воздействие, которое переводило бы технологическую систему из начального состояния в заданное за минимальное время.
Рис. 1. Зависимость амплитуды звукового давления A-j от скорости врезной подачи S, и величины снятого припуска z: 1 150 мин"1; 2-л3= 300 мин" ;
FK= 35 м/с
л
В задачах управления процесс шлифования, как объект управления, из-за его большой инерционности представляют простым апериодическим звеном первого порядка [3]. Допуская, что за время шлифования одной заготовки ШК практически не изнашивается, переходный процесс на этапе врезания ШК в заготовку при использовании в качестве выходного параметра амплитуды А, звукового давления можно описать экспоненциальной функцией:
ci A.j ( cl A-J
dt
\
cil
) -(l
J У
(1)
где dAj/dt - скорость изменения амплитуды звукового давления, В/с; (dAj/dt)у - скорость изменения амплитуды звукового давления в установившемся режиме, В/с; t - текущее значение времени переходного процесса, с.
Участок переходного процесса на этапе врезания по уравнению (1), адекватно реализуемого бесступенчатым увеличением скорости врезной подачи (рис. 2), является оптимальным алгоритмом управления, в котором корректирующий сигнал формируется в функции постоянной времени Тп. Аппроксимация этого участка прямой на практике приводит к увеличению снимаемого припуска, а следовательно, к снижению производительности и точности обработки.
Учитывая, что постоянная времени определяет динамические свойства технологической системы, которые изменяются в зависимости от условий шлифования, величину Тп более надёжно определять экспериментально, при этом точность её определения зависит от точности фиксации момента полного затухания переходного процесса. Зная величину Тп, можно прогнозировать величину установившихся упругих деформаций технологической системы в конце переходного процесса и влиять на погрешность обработки заготовок.
Для реализации управления процессом врезного шлифования по интенсивности звукового излучения экспериментально исследовали связи между переходной характеристикой процесса шлифования (постоянной времени Тп) и величиной звукового давления в зависимости от режимов шлифования.
Эксперименты проводили на круглошлифо-вальном станке ЗМ152МВФ2 при предварительном шлифовании шеек заготовок из стали ШХ15 HRC 61 ...64, кругом 1-600x30x305 характеристики 24А25СМ17К5 с окружной скоростью VK= 35 м/с. Величина снимаемого припуска z составляла 0,2 и 0,5 мм, скоростью врезной подачи S( варьировали от 0,2 до 0,8 мм/мин. Частоту вращения я3 заготовки изменяли от 150 до 300 мин" . В качестве основных характеристик акустического (звукового) сигнала использовали частоту/акустических
\
ото
ï в 0,010
А
з0.005 О
А" ? л*
I
— - / - j LmJi - -ï--- /
In — -1 д 11 та
1
0
12
мм
24
0,020
Рис. 2. Зависимость амплитуды звукового давления А, от режимов и времени шлифования г: а - г = 0,2 мм; б - z = 0,5мм; пь = 225 мин'1; 1-5, = 0,2 мм/мин; 2 - S, = 0,8 мм/мин
колебаний, звуковое давление Рз и его амплитуду Аз, определяемую амплитудным значением эффективного напряжения исследуемого звукового давления в полосе пропускания анализатора.
Акустические сигналы принимали и регистрировали с помощью первичного преобразователя (микрофона) и предварительного усилителя, а также двух-канального аналогово-цифрового преобразователя в виде звуковой карты ESS-1688, встроенной в IBM-совместимый компьютер «Pentium-100». Цифровую обработку акустических сигналов производили с помощью специализированных пакетов «Cool Edit Pro» и «PAS Analyzer Spectrum».
Шейки заготовок шлифовали по двум вариантам:
1) LLIK быстро проходил большую часть расстояния до поверхности заготовки, затем вручную его подводили к заготовке до «касания по искре» за время tn (см. рис. 2) и включали автоматический цикл обработки, продолжительность переходного процесса которого rnni определяли по заданной величине снимаемого припуска z; 2) круг также вручную подводили к поверхности заготовки, контроль касания осуществляли по всплеску величины амплитуды звукового давления А3 на экране компьютера, после чего включался цикл шлифования, продолжительность переходного процесса которого /пп2 ограничивали значением уставки величины амплитуды звукового давления Азу. Величину уставки Азу в каждом случае ограничивали условием обеспечения максимальной производительности приезаданной шероховатости
Результаты определения постоянной времени Тп на этапе врезания круга в заготовку
Режимы шлифования Варианты шлифования Относительная погрешность определения Тп, %
2% ММ мм/мин » пъ, мин"1 первый ВТО рой
¿лпЬ с Тп, с ^пп2, С Тп, с
0,2 0,2 150 300 18,1 18,1 5,97 5,97 15,8 15,83 5.21 5.22 12,73 12,56
0,8 150 300 13,27 13,27 4,37 4,37 12,1 12,15 3,99 4,00 8,69 8,46
0,5 0,2 150 300 22,2 22,2 7,32 7,32 21,71 21,65 7,16 7,14 2,18 2,45
0,8 150 300 15,45 15,45 5,09 5,09 14,35 14,3 4,73 4,71 7,07 7,46
шлифованной поверхности заготовок. Момент полного затухания переходного процесса на этапе врезания по второму варианту определяли из условия:
Аз1 - Азхх > (Аз1Ч, - А,хх )-К3, (2)
где Аз, и Азы - среднее значение амплитуды звукового давления в двух последовательных точках измерения; Азхх - среднее значение амплитуды звукового давления, измеряемое непосредственно перед врезанием круга в заготовку; К3 - коэффициент, характеризующий затухание переходного процесса, К3= 0,95
ш
Используя условие (2) и распечатки компьютерных диаграмм изменения величины А1? определяли время переходного процесса /пп на этапе врезания и рассчитывали величину постоянной времени по известной зависимости [1]:
Тп = 0,33- /пп. (3)
Установлено, что изменение частоты вращения заготовки не оказывает существенного влияния на продолжительность переходного процесса гпп и составляет в среднем 0,3 - 0,5 с.
Анализ информации, полученной путём обработки диаграмм амплитуды звукового давления А15 показал, что время переходного процесса /пп (см. рис. 2) в исследованном диапазоне на всех режимах шлифования по второму варианту в среднем на 23 - 27 % меньше, чем при работе по первому варианту. Как видно из представленных результатов (см. рис. 2), при шлифовании по второму варианту величина амплитуды А3 звукового давления зависит от времени переходного процесса гпп > скорости врезной подачи и величины снимаемого припуска г, увеличение которых приводит к росту звукового давления, определяемого величиной уставки А'
Так, при увеличении снимаемого припуска 7 с 0,2 до 0,5 мм, время переходного процесса увеличивается на 14 % при шлифовании с 5, = 0,2 мм/мин и на 12 % при врезании круга с 5, = 0,8 мм/мин, при этом во всех случаях увеличение скорости врезной подачи
приводит к уменьшению времени переходного про цесса на 13 - 15%, а следовательно, и к уменьшению постоянной времени Тп.
Сопоставление расчётно-экспериментальных данных по первому и второму вариантам шлифования приведено в таблице.
Из таблицы видно, что погрешность определения постоянной времени по звуковому излучению (ргорой вариант) составляет не более 13 %, что имеет гущест-венное значение для повышения производительности процесса шлифование и точности обработки с автоматическим циклом управления.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Костюков, К. М. Автоматические врезные устройства / К. М. Костюков, В. Н. Михелькевич. -М.: Машиностроение, 1980. - 136 с.
2. Худобин, Л. В. Исследование низкочастотного акустического сигнала лля текущего контроля процесса шлифования / Л. В. Худобин,
В. Ф. Гурьянихин, В. С. Юганов // СТИН. - 2000. - № 8. - С. 25-29.
3. Левин, А. И. Оптимизация цикла врезного круглого шлифования / А. И. Левин, В. М. Машинистов // Станки и инструмент. - 1977. - № 12. - С. 27 -29.
4. Чубуков, А. С. Адаптивное управление круг-лошлифовальными станками с помощью малой ЭВМ / А. С. Чубуков, А. С. Киньшин // Станки и инструмент. - 1978. - № 9. - С. 22 -24.
Гурьянихин Владимир Фёдорович, кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология машиностроения» УлГТУ. Имеет статьи и патенты в области контроля и управления процессами шлифования и правки по интенсивности
4 звукового излучения.
Агафонов Владимир Валерьевич, магистр техники и технологии.
