CC BY
24
1,75 а, мм
Рис. 4. Зависимость эффективного заднего утла ОСэф от толщины среза а для различных радиусов скругления режущего лезвия р: 1-1 мм; 2 - 0,5 мм; 3 - 0,22 мм; 4 - 0,1 мм; 5 - 0,05 мм (свободное резание: свинец, Ъ - 2,5мм» а = 8°,)
На основании полученных результатов следует полагать, что направленное управление длиной контакта на передней и задней поверхностях инструмента со скругленным лезвием позволит варьировать процесс стружкообразования, что благотворно скажется на его стойкости.
Библиографический список
1. Железнов Г,С., Сингеев С.А, Влияние радиуса скругления лезвия инструмента на его передний угол II СТИИ, - 1993, - № 4. - С. 15-18.
2. Исаев А.И, Процесс образования поверхностного слоя при обработке металлов резанием. - М.: Машгиз, 1950. - 238 с,
3. Гридин Г.Д., Скороходов С.В. Предельный передний угол при резании резцом со скругленным лезвием II Вестник ИрГТУ. - Вып. №1 (13), - Иркутск: ИрГТУ, 2003. - С, 32-38.
Я.И.Содер
Повышение эффективности технологической подготовки производства на операциях плоского шлифования титановых сплавов в условиях САПР ТП
Титановые сплавы имеют низкую шлифуемость. Это обусловлено пониженной теплопроводностью и высокой адгезионной активностью титана при значительных температурах резания. Перспективным средством улучшения их обрабатываемости при шлифовании является использование абразивных высокопористых кругов, обеспечивающих активное обновление режущего профиля инструмента при незначительном затуплении зерен. Сказанное снижает тепловыделение в зоне резания и физико-химические процессы между абразивом и материалом детали. Внедрение высоко-
пористых абразивных кругов на машиностроительных предприятиях требует разработки технологических рекомендаций по их рациональному использованию.
На окончательном этапе обработки детали выбор технологических параметров ведут с учетом обеспечения требуемой шероховатости поверхности, При этом используют нормативно-техническую документацию, в которой режимы шлифования чаще всего заданы в таблицах. Для автоматизированного проектирования операций удобнее использовать математические модели формирования поверхности, анализируемые на
ПК с учетом требований микрогеометрии шлифованной поверхности и производительности съема припуска. Реализация предложенной концепции сдерживается отсутствием компьютерных программ и стохастических моделей шероховатости для многих конструкционных материалов и абразивных кругов.
В данной работе рассматривается один из вариантов реализации данного этапа технологической подготовки производства на базе пакета программ Design Expert 6.0,10 for Windows и стохастических зависимостей, полученных при шлифовании титановых сплавов ВТ20 и ВТ22. Детали поступали на окончательную обработку после отжига со следующими механическими свойствами: = 900 - 1100 МПа, <5 = 7-10%
- для ВТ20 (псевдо- а -сплав) и ств ^1100-1250 МПа, д = 8% - для ВТ22 [а + ¡5 -сплав). Исследование вели на плоскошлифовальном станке модели ЗГ71 опытными абразивными кругами высокой пористости ПП250х20х76 63С40П СМ2 10К5 (НКФ35) при следующих постоянных условиях: скорость резания v^ =33 м/с; площадь шлифуемой поверхности -1260 мм2, СОЖ - 5%-ная эмульсия ВЭЛС с расходом 7-10 л/мин; число параллельных опытов п — 3. Матрица плана реализации опытов соответствовала полному факторному эксперименту (ПФЭ) типа 24, Переменные технологические факторы в натуральном и нормированном виде приведены в табл. 1.
Таблица 1
Исходные данные ПФЭ типа 24
Уровни варьирования Факторы
Продольная подача snp, м/мин (А) Поперечная подача s„, мм/дв.х. (В) Глубина резания t, мм (С) Припуск Z , мм (D)
Верхнее значение (+1,00) 18 10 0,05 0,35
Нижнее значение (-1,00) 6 1 0,01 0,20
Комплексная оценка состояния поверхности деталей производилась по параметрам Яа, Я, Яг,
Ятах и измеренным в направлении поперечной
подачи на профилометре "ЗиАгопю 3" (Англия). Различие средних микронеровностей для обеих марок сплава было проверено на значимость с использованием I- критерия для разности пар независимых выборок [1], который по сравнению со стандартным t■ критерием предъявляет менее жесткие требования к гаус-совому распределению экспериментальных данных. Дело в том, что разности пар независимых выборок
лучше подчиняются нормальному распределению, чем сами наблюдения. Установлено, что на 5%-ном уровне средние шероховатостей деталей из сплавов ВТ20 и ВТ22 в одинаковых опытах имеют случайное рассеяние и принадлежат одной генеральной совокупности, Это позволило оценить их общей средней по каждому опыту, а для прогнозирования возможных значений параметров микронеровностей использовать одну статистическую модель, представленную полиномом первого порядка.
В теории эксперимента широко используется метод поиска вида регрессии, когда нормированные коэффициенты а рассматриваются значимыми, если выполняется неравенство [2]:
где se - среднее квадратичное отклонение (СКО) воспроизводимости опытов, равное СКО ошибки som; h-a/2f ' кваитиль распределения Стьюдента при выбранном уровне значимости а и числе степеней свободы /.
В силу ортогональности плана ПФЗ дисперсии коэффициентов модели s2 (а) совпадают с s] . Это
упрощает обработку наблюдений. Однако при изучении микрогеометрии поверхности этот метод оказался недостаточно чувствительным к варьированию технологических параметров процесса шлифования. В связи с этим оценку экспериментальных данных вели на базе многомерного дисперсионного анализа [1, 3], который обеспечивает более надежную оценку значимости коэффициентов модели, но имеет высокую трудоемкость вычислений. Для ускорения вычислений был использован пакет программ Design Expert 6.0.10. В данном случае значимость коэффициентов регрессии проводится по вносимому вкладу соответствующих сумм квадратов факторов и их взаимодействий
SjJ = l,m в общую сумму квадратов S0 . Последняя характеризует отклонение наблюдений относительно общей средней:
y..=ttYJN•«■
7=1 v=1 /
где N = 24 - число различных опытов.
Суммы квадратов имеют следующее число степеней свободы [1, 3]: fi = 1, г = 1,т - для /-ой суммы квадратов ; /0=24я-1 - для общей суммы квадратов S0; foul = 24 (п -1) - для суммы квадратов ошибки S0M , которую находим из выражения [3]:
т
При делении и 50Ш на соответствующее число степеней свободы получаем средние квадраты (дисперсии) М( и дисперсию ошибки 80ш. Делением
М1,1=1, т на находим наблюдаемые (расчетные) Р] -критерии, характеризующие воздействие / -го
эффекта на вариацию параметров шероховатости. Если расчетные критерии превышают критическую
статистику, ^ > Р\~а,(/,,/ош) » г = , то вклад / -го фактора или взаимодействия значим. Степень различия критериев ^ и Р\-а,и),/ош) характеризует интенсивность вариации отклика от /'-го эффекта. На основе полученных результатов программа выделила / эффектов (1<т), которые следует обязательно включать в статистическую модель. Незначимые и некоторые малозначимые эффекты могут быть рекомендованы программой для исключения из регрессии, если на принятом уровне а = 0,05 она сохраняет свою значимость и адекватность. Только на завершающем этапе дисперсионного анализа находим коэффициенты нормированных моделей [3]:
«.-(¿«Л)/"- 24.
П
где У= ^Г - суммарное значение наблюдений
У=1
в ) -ом опыте; - нормированное значение фактора или взаимодействия факторов, взятое из г -го столбца и у-ой строки матрицы плана. Их значения приведены в табл. 2.
Таблица 2
Коэффициенты нормированных моделей микрогеометрии
Коэффициенты нормированных моделей, как и суммы квадратов , также характеризуют вклад каждого эффекта регрессии на вариацию отклика У/у.
Чем больше их положительное значение, тем значимее рост шероховатости при возрастании технологических параметров. В регрессиях все коэффициенты, кроме аАО для среднего шага неровностей (табл. 2), имеют
положительные значения. Поэтому возрастание $пр, зп, I и г ведет к увеличению всех параметров микрогеометрии, в том числе и . Рост обусловлен тем, что \а0{ > \аАГ>[. При этом степень изменения
намного меньше, чем для высотных параметров.
Наибольшее воздействие на шероховатость поверхности в порядке убывания оказывают следующие эффекты регрессий: припуск 2 (/)), глубина резания t{C), парное взаимодействие 2% (ОС ). Остальные эффекты получились намного слабее. Для параметров Л1пах
варьирование поперечной подачи оказалось даже незначимым. На рис. 1 представлены значения для среднего арифметического отклонения неровностей профиля, предсказанные регрессией, в крайних точках факторного пространства при переменных $пр (А),
1{С), г [И] и постоянной поперечной подаче $п: £ = 0,00.
Ухудшение микрогеометрии поверхности с ростом $пр (А), I [С) и г (В) связано с повышением силовой нагрузки на абразивные зерна круга и увеличением снимаемого припуска или сечения среза. Одно-
Коэффициенты Значения коэффициентов
Параметры шероховатости, мкм
Яа К о тах
а0 1,2784 1,6142 8,2042 10,2635 45,2187
аА 0,1475 0,1767 0,9687 1,2698 0
ав 0,0850 0,0942 0,3833 0 0
ас 0,2212 0,2712 1,3104 1,7302 0
ав 0,4088 0,4975 2,3521 2,7677 8,2810
алс 0,0629 0,0762 0,3750 0,7781 0
ало 0,0746 0,0792 0,5792 0,6490 -6,1979
асо 0,2042 0,2471 1,3833 1,8094 0
аАСО 0,0825 0,0972 0,5104 0,8740 0
Яа, мкм
А: Зпр
Рис. 1. Влияние продольной подачи (А), глубины резания (С) и операционного припуска (О) на параметр Яа (поперечная подача • В = 0,00 )
временно имеет место взаимное влияние факторов. При минимальных А-С- -1,00 увеличение снимаемого припуска О от -1,00 до +1,00 сопровождается возрастанием параметра Яа от 0,76 до 1,19 мкм, т.е. в 1,56 раза, а при наибольших значениях А- С = +1,00 - в 2,63 раза. Аналогичную картину наблюдаем при изменении глубины резания: при Л = £> = -1,0.0 в 1,1 раза; при Л = £> = +1,00 в 1,84 раза. Возрастание интенсивности изменения параметров Ка, обусловленное взаимным влиянием
факторов, также связано с ростом силовой нагрузки на абразивные зерна инструмента.
В заводской практике в качестве критерия оценки микрогеометрии при шлифовании наиболее часто используют среднее арифметическое отклонение неровностей профиля. Вместе с тем, с учетом эксплуатационных требований могут предъявляться особые требования и к остальным параметрам шероховатости. Для предсказания их значений часто используют корреляционные зависимости между высотными характеристиками микрогеометрии, которые при работе стандартными абразивными инструментами имеют вид: Д?=1,2Яа, Яг - 5,5Яа, Ятах = 7Яа[4]. Ком-
плексное исследование поверхности деталей из сплавов ВТ20 и ВТ22 позволило выявить эти связи для случая шлифования абразивными кругами высокой пористости. Полученные результаты приведены в табл. 3, где в каждом столбце указаны диапазоны варьирования технологических факторов и вызываемые ими изменения коэффициента корреляции. Обнаружено, что увеличение всех параметров шероховатости, кроме Ятдх ведет к снижению коэффициента
связи. Это свидетельствует о том, что среднее арифметическое отклонение неровностей профиля с увеличением нагрузки на абразивные зерна растет более интенсивно по сравнению с остальными характеристиками микрогеометрии поверхности. В наибольшей мере сказанное относится к параметрам К2, ^тах и , особенно в случае увеличения снимаемого операционного припуска. Характер зависимости (Ятгх /Яа) = <р(зпр), вероятно, связан с тем, что с
увеличением скорости продольного перемещения детали уменьшается число абразивных зерен, участвующих в формировании микрогеометрии поверхности. Это усиливает рост наибольших неровностей по сравнению с их средними значениями. Следует отметить, что коэффициенты корреляции при работе абразивными кругами высокой пористости превышают значения, приведенные в [4], для высотных характеристик поверхности после шлифования стандартным инструментом,
Таблица 3
Корреляционные связи параметров шероховатости со средним арифметическим отклонением неровностей профиля
Соотношение параметров Значения соотношений параметров
Продольная подача , М/МИН Поперечная подача ,$•„, мм/дв.х. Глубина резания /, мм Припуск г , мм
4-20* 4-22** 0,005-0,05*** 0,1-0,4****
№ 1,28-1,26 1,62-1,56 1,28-1,27 1,37-1,25
6,54-6,49 7,52-7,15 6,71-6,40 8,64-6,15
^тах /К 8,20-8,30 - 8,51-8,08 12,02-7,58
/К 40,97-34,88 - - 65,04-33,59
Примечание: * - — 5 мм/дв.х.; I = 0,03 мм.;
2 = 0,25 мм; ** - Я пр =10 м/мин.; / = 0,03 мм.; 2" = 0,25 мм; *** -
$пр =10 м/мин.; Яп = 5 мм/дв.х.;
2 = 0,25 мм; **** - 8пр = 10 м/мин.;
= 5 мм/дз.х.; / = 0,03 мм.
В условиях единичного и мелкосерийного производств предварительное и чистовое шлифование обычно 8едут в одной технологической операции, не изменяя характеристики абразивного круга. Снижение шероховатости детали обеспечивают регулированием режима шлифования в направлении уменьшения силовой нагрузки на абразивные зерна и увеличения количества зерен, участвующих в формировании микрогеометрии поверхности. Нами была поставлена задача получить шероховатости Яа не более 2,5 и 1,25 мкм
соответственно на первом и втором этапах шлифования. С этой целью компьютерной программе задавались значения в диапазонах 2,1-2,5 и 0,9-1,25 мкм. По остальным параметрам ограничение велось с учетом корреляционных связей (см. табл. 3). Для облегчения поиска оптимального режима шлифования сужались пределы возможного варьирования факторов с учетом вариации отклика: наиболее значимые факторы уменьшались, менее значимые, напротив, увеличивались (табл. 4).
Последнее обеспечивало рост производительности обработки без существенного ухудшения микрогеометрии поверхности. При этом первой группе факторов присваивались наибольшие ранги приоритетов, а второй - наименьшие (см. табл. 4). Тем самым программе дополнительно указывалось, за счет каких технологических параметров лучше оптимизировать процесс шлифования. Результаты оптимизации, выполнен-
ные программой Design expert 6,0,10, представлены в табл. 5,
Программой отобрано пять режимов резания для предварительного шлифования и восемь режимов -для второго этапа обработки. Режимы, указанные первыми на каждой стадии шлифования, являются приоритетными (соответственно варианты оптимизации 1 и 6). Они обеспечивают наибольшее приближение к заданным параметрам Ra (2,5 и 1,25 мкм) и наибольшую
производительность.
С помощью известных преобразований [2 ,3] осуществлен переход от нормированных факторов к их натуральным значениям. Коэффициенты натуральных регрессий шероховатости приведены в табл. 6.
Таблица 4
Пределы возможного варьирования факторов и ранги приоритетов при оптимизации процесса шлифования
Этапы шлифования Значения нормированных факторов
А В С D
1. Предварительное (+0,50) -(+1,00) (+0,75) -(+1,00) (+0,50) -(+0,90) (+0,60) -(+0,90)
2. Чистовое (-0,40) -(-0,10) (-0,50) -(+0,50) (-0,75) -(0,00) (-1,00) -(-0,20)
Ранги 2 1 3 4
Таблица 5
Оптимизация режимов шлифования титановых сплавов
Варианты оптимизации Значения нормированных факторов Параметры шероховатости, мкм
А В С D К ** Rz D шах
1. Предварительное шлифование
1 + 1,00 + 1,00 +0,90 +0,89 2,41934 2,98745 15,2089 18,9955 47,0789
2 + 1,00 + 1,00 + 0,84 +0,90 2,39137 2,95319 15,0327 18,7334 47,0938
3 + 1,00 + 1,00 + 0,90 +0,85 2,38635 2,94777 15,0008 18,7319 46,9839
4 + 1,00 +0,84 +0,90 + 0,90 2,41140 2,97902 15,1821 19,0392 47,0938
5 + 0,82 + 1,00 +0,90 +0,88 2,34490 2,90465 14,7443 18,3292 48,0398
2. Чистовое шлифование
6 -0,10 + 0,50 0,00 -0,20 1,22423 1,54505 7,8386 9,5959 43,4385
7 -0,10 +0,50 0,00 -0,24 1,20763 1,52472 7,7432 9,4818 43,0657
8 -0,10 +0,50 -0,18 -0,20 1,19252 1,50587 7,6559 9,3566 43,4385
9 -0,10 +0,10 0,00 -0,20 1,19096 1,50782 7,6868 9,5960 43,4385
10 -0,10 +0,08 0,00 -0,20 1,18906 1,50569 7,6781 9,5960 43,4385
11 -0,29 + 0,50 0,00 -0,20 1,19897 1,51422 7,6745 9,3747 43,1978
12 -0,25 +0,19 0,00 -0,20 1,17892 1,49236 7,5941 9,4251 43,2512
13 -0,32 -0,09 -0,17 -0,20 1,11693 1,41877 7,2600 9,1411 43,1674
Коэффициенты регрессий шероховатости с натуральными значениями факторов
Таблица 6
Коэффициенты Значения коэффициентов
Параметры шероховатости, мкм
К К р max
К ' 0,000002 0,014126 2,574145 10,263541 -30,597222
ьА 0,038901 0,051072 0,181655 1,269792 3,787616
Ъв 0,018889 0,020926 0,085118 0 0
ъс -2,409815 -3,733150 -38,435860 1,730208 0
Ьо 2,677778 3,467233 8,666667 2,767708 275,694445
ЪАС -1,996525 -2,333575 -12,471075 0,778125 0
bAD -0,109259 -0,147963 -0,414352 0,648958 -13,773148
ЬСО 26,111330 35,166000 241,555980 1,809375 0
bACD 9,166667 10,796333 56,712999 0,873958 0
Модели с натуральными значениями факторов позволяют инженеру-технологу использовать их на производстве, оперируя общепринятыми величинами в диапазоне варьирования, указанном в табл. 1.
Выводы по работе
1. Показана возможность эффективного шлифования сплавов ВТ20 и ВТ22 абразивными высокопористыми кругами 63С40П СМ2 10К5 (НКФ35).
2. С помощью ¿-критерия для разности независимых пар установлено, что на 5%-ном уровне шлифуе-мость исследуемых титановых сплавов по параметрам шероховатости , , Я2,7?тах и оценивается
общими средними.
3. Полученные коэффициенты корреляции между параметрами шероховатости позволяют по результатам измерения среднего арифметического отклонения профиля неровностей получить полные сведения о микрогеометрии шлифованной поверхности.
4. Модели шероховатости в условиях САПР ТП открывают возможность повысить эффективность абразивной обработки на стадиях проектирования технологического процесса и шлифования деталей.
Библиографический список
1. Закс Л Статистическое оценивание / Пер, с нем. В.Н.Варыгина, Под ред. Ю.П.Адлера, В.Г.Горского. - М,: Статистика, 1976, - 598 с,
2. Планирование эксперимента в технике / Барабащук В,И., Креденцер Б.П., Мирошниченко В.И. / Под ред. В.П.Креденцера, - Киев: Технка, 1984. - 200 с.
3, Рыжов Э.В., Горленко О.А, Математические методы в технологических исследованиях. - Киев: Наукова думка, 1990. - 184 с,
4, Суслов А,Г, Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей, - М.: Машиностроение, 1987. - 208 с.
П.А.Лонцих
Обеспечение качества и управления динамических параметров технологических систем
Актуальность проблемы обеспечения и управления качеством определяется критериями стандартов качества ИСО 9000, общностью задач обеспечения качества и задач производства. Управление качеством представляет собой род хозяйственной деятельности, цель которой - при минимальных затратах добиться значительного, но вместе с тем экономически целесообразного качества изделия. Стандарты ИСО серии 9000 установили единый подход к условиям по оценке систем качества между производителями и потребителями продукции.
Качество определяется действием многих факторов, Для определения влияния этих факторов на уровень качества необходима система управления качеством. При этом нужны не отдельные разрозненные и эпизодические усилия, а совокупность мер постоянного воздействия на процесс создания продукта с целью поддержания соответствующего уровня качества.
Для оценки уровня качества продукции применяют дифференциальный, комплексный или смешанный методы. Таким образом, качество можно оценить через количественные измерения реальных свойств изделия, продукции или технологической системы. Понятие «оценка качества» предполагает комплексную оценку не только функциональных, потребительских свойств машины, устройства, изделия или технологической системы (динамические и кинематические характеристики - мощность двигателя, быстродействие, производительность, параметры колебательных режимов в стационарном и переходном состоянии, развиваемые силы), но и оценку ее технологических и эксплуатационных свойств (надежность, долговечность, ремонтоспособность). Очевидно, что в эту комплексную оценку вносят свой вклад характеристики стандартизации, унификации, экологичности, безопасности эксплуатации и другие свойства.
Влияние динамических параметров виброактивной механической системы, в том числе такой системы, как металлорежущий станок, на характеристики качества определяется комплексом условий, Динамические и статические силы, возникающие при работе станка, вызывают деформацию как всего станка в целом, так и его составляющих, определяя смещение инструмента по отношению к заготовке. Это вызывает недопустимое отклонение от заданных рабочих движений, повышенный износ, что непосредственно снижает качество. Снижения негативного влияния этих сил можно достичь увеличением статической и динамической жесткости, Однако это требование обеспечения качества не всегда оказывается выполнимым, что определяет выполнение других мероприятий, обеспечивающих сохранение заданного качества. Анализ вынужденных колебаний и процесса резания позволяет установить причину смещения инструмента по отношению к заготовке, определить возможность устранения нежелательных эффектов и достичь требуемого качества. Очевидно, что основным предметом исследования при этом становятся динамические характеристики технологи-
