Экспериментальные исследования динамических характеристик шлифовальных станков и качества обработки колец подшипников

3.2.1. Методическое обеспечение экспериментальных исследований

 

Методика обучающего эксперимента. Для оценки состояния объекта разработана методика обучающего эксперимента, позволяющая дать численную оценку динамического состояния станка по 4-х балльной шкале. Колебательные процессы в ДС носят стохастический характер, так как на станок воздействует большое число внешних и внутренних вибрационных возмущений, которые передаются на обрабатываемую деталь через ШУ детали, ШУ инструмента и опору детали вследствие замкнутости ДС. Вибрационные возмущения в системе «деталь-инструмент» формируют на поверхности кольца определенный микрорельеф, причем погрешностям формы, волнистости и шероховатости соответствуют различные частотные диапазоны ВА колебаний. Превышение той или иной составляющей спектра колебаний некоторого номинального (эталонного) значения вызывает параметрический отказ, например, повышенные значения огранки и волнистости поверхности качения. При шлифовании колец подшипников такие отказы приводят также к нарушению свойств поверхностного слоя дорожек качения.

Для оценки динамического состояния станков по характеристикам ВА колебаний разработана следующая методика обучающего эксперимента:

 

1) предварительное получение спектральных и ряда других характеристик ВА колебаний основных формообразующих узлов станков, осуществляющих обработку колец с различным качеством,

2) определение информативных точек съема данных о ВА колебаниях,

3) выявление частотных диапазонов ВА колебаний, в которых наблюдаются наибольшие характерные отличия спектральных характеристик различных станков,

4) выбор метода предварительной обработки спектра колебаний для повышения его информативности,

5) выбор характеристики стохастического сигнала, наиболее чувствительный к изменению динамического состояния станка,

6) определение взаимосвязи значений выбранной характеристики с параметрами качества обработки и оценка динамического состояния станка по четырех балльной шкале,

7) определение эталонного станка данной модели,

8) сравнение исследуемого станка с эталонным по динамическому состоянию.

По результатам применения данной методики в производственных условиях принимается то или иное решение об управлении качеством обработки.

Обоснование выделения информативных частотных диапазонов вибросигналов.  Информационной основой для оценки динамического состояния станка являются ВА колебания, необходимый частотный диапазон измерения которых рассчитывается на основе анализа динамики процесса формообразования для конкретного вида обработки. Для круглого и врезного шлифования указаны несколько информативных частотных диапазонов, соответствующих различным погрешностям формы.

Первый частотный диапазон, характеризующий погрешность формы в виде овальности, определяется границами

,                                     (3.1)

где n – частота вращения заготовки, 1/с.

Второй частотный диапазон, соответствующий огранке (до 15 граней по окружности профиля), заключается в границах

,                                    (3.2)

Третий частотный диапазон, соответствующий образованию волнистости (без перерезания волн) равен

                     ,                         (3.2)

где R – радиус инструмента, r – радиус детали, А – амплитуда вибраций.

 

Далее идут диапазоны частот, определяющие формирование волнистости с перерезанием волн и шероховатости поверхности.

В соответствии с формулой (3.45) расчет частотного диапазона для рассматриваемого параметра качества – волнистости дает значение от 75 до 750 Гц (R = 150 мм, r = 20 мм, n = 300 об/мин. А = 1 мкм). Используемая измерительная аппаратура позволяет регистрировать вибрации станка в диапазонах до 4 кГц и до 10 кГц.

Реально во внимание принимается диапазон вибраций до 400 Гц, приводящий к возникновению при шлифовании колец погрешностей в виде овальности, огранки и волнистости. Вибрации более высокой частоты служат причиной появления погрешностей в виде шероховатости, причем лишь опосредованно, так как прямой причиной ее возникновения являются контактные физико-химические явления в зоне резания.

В соответствии с изложенным, и принимая во внимание регистрируемый спектр вибраций узлов станков, принято целесообразным выделить НЧ часть спектра колебаний (до 400 Гц) и СЧ часть спектра колебаний (400…4000 Гц), что и учтено при разработке ППП (п.3.3). Результаты измерения свидетельствуют о том, что НЧ спектр содержит частоты колебаний шлифовальной бабки, ШУ изделия, от дисбаланса круга, вибрации подшипников ШУ, электродвигателей и др., включая стохастические составляющие, а СЧ спектр содержит частоты колебаний собственно шпинделей, абразивного круга, узла опоры кольца и др., включая стохастические составляющие. Данные компьютерной обработки колебаний отражают качественную адекватность экспериментальных результатов теоретической модели, а также соответствие результатам других исследователей.   

Аппаратурное обеспечение измерений. При оценке динамического состояния станков для обработки колец измерения вибраций производились на шлифовальных станках-автоматах моделей SIW-5, SWaAGL-50 и ряде других. Для измерений использовались два комплекта виброизмерительной аппаратуры ВШВ-003М2 с датчиками ДН-3 и ДН-4, фиксирующими виброускорение в диапазоне 1…4000 Гц и 1…10000 Гц, и компьютер типа Notebook.

Вибродатчики устанавливались с помощью магнитных опор на элементы конструкции станков – узлы формообразующей подсистемы, которые выбирались из двух условий: источники возникновения НЧ вибраций на станках; влияние на процесс формообразования дорожки качения. Соответственно возникла задача разделения и определения доминирующих источников колебаний на основе измерения вибрационного поля общих элементов конструкции при условии влияния нескольких одновременно действующих источников. В производственных условиях эта задача решалась методом последовательного включения (отключения) источников вибраций: приводов ШУ детали и ШУ инструмента. На практике два датчика одновременно устанавливались вблизи зоны резания на ШУ инструмента и на узле крепления обрабатываемого кольца как наиболее информативных точках, выявленных в процессе предварительных экспериментов. Сигналы с датчиков подавались на виброизмерители ВШВ-003 и регистрировались либо в режиме линейного усиления (измерение общего уровня вибраций (ОУВ) в диапазоне частот 1…4000 Гц или 1…10000 Гц), либо после преобразования на октавных фильтрах в диапазонах 4, 8, 16, 31, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц. Выходы виброизмерителей подключались к компьютеру для визуального наблюдения формы и амплитуды вибросигналов в диапазоне ОУВ в различных режимах работы станка, а также для записи и дальнейшей обработки результатов. Приборы активного контроля снимаемого припуска «Элекон-3М», встроенные в системы управления станками, позволяли оценивать последовательность и длительность технологического цикла и снимать информацию о реальном припуске на каждой детали. В процессе измерений оценивалось виброускорение и амплитуда ВА колебаний.

 

 

Рис.3.2. Виброизмерительный комплекс

 

В результате измерений на указанных выше станках установлен информативный диапазон частот ВА колебаний до 4 кГц при шлифовании дорожек качения колец различных типов. Окончательное уточнение диапазона для каждого станка производилось посредством обработки записанных вибросигналов на компьютерном анализаторе спектра 2131 фирмы Брюль и Къер (Дания) или в лабораторных условиях на персональном компьютере.

Помимо анализа уровня ВА колебаний станков, для оценки качества обработки проводились измерения волнистости и некруглости колец подшипников на кругломере Talyrond-73 после предварительной и после окончательной обработки. Кроме того, кольца нескольких типоразмеров измерялись на автоматизированном вихретоковом приборе ПВК-К2М, разработанном совместно сотрудниками СГТУ, ОАО «СПЗ» и ГНТП «СТОМА» и позволяющем выявить прижоги и ряд других дефектов в поверхностном слое дорожек качения колец.

 

3.2.2. Анализ колебательных процессов при действии возмущений

Влияние дисбаланса шпинделя круга. В реальных условиях эксплуатации на ДС могут воздействовать возмущения в различных диапазонах спектра, например, низкочастотное возмущение из-за неуравновешенности (дисбаланса) круга.

а

б

в                                                                           г

 

Рис. 3.3. Модель спектра процесса, регистрируемого на опоре кольца, 

при учете одной существенной частоты ШУ инструмента:  а-г – при различных

значениях величины возмущающего воздействия от дисбаланса круга

 

Колебания силы, вызванные дисбалансом круга, как известно вызывают соответствующую погрешность формы кольца подшипника, что подтверждается собственными экспериментами (рис.3.7), результаты которых показывают близкую к линейной возрастающей зависимости значений отклонений от круглости и волнистости дорожек качения колец от увеличивающегося дисбаланса круга. Для минимизации влияния дисбаланса круга следует использовать автоматические или автоматизированные устройства динамической балансировки непосредственно на станке.

Рис. 3.5 Спектр вибрации шпинделя круга станка SIW-3B

          

Рис.3.7. Зависимость средних значений некруглости (Н) и волнистости (В)  от уровня вибраций шпинделя круга шлифовального станка

Влияние изменения ширины резания. Формула получена в предположении о стационарности процесса резания. Однако на практике при обработке колец подшипников в начальный момент времени резание фактически происходит в нестационарном режиме. Обусловлено это тем, что сила резания P_y зависит от ряда параметров, значения которых изменяются в процессе обработки кольца, а именно [1]:

,                                (3.5)

где q – коэффициент, характеризующий физико-химические свойства детали;    а – глубина резания; b – ширина резания; v_p – скорость резания;  – некоторые коэффициенты, определяемые для конкретного вида шлифования.

Анализ формулы (3.5) показывает, что при квазистационарных величинах k_рез, q, a, v_р наибольшее влияние на колебания силы резания оказывает изменение ширины резания b, которая при обработке колец изменяется от нуля до некоторого максимального значения b_max, т.к. в первоначальный момент времени при врезании из-за неравномерности припуска круг контактирует с наибольшими выступами на обрабатываемой поверхности, определяемыми отклонением от круглости и огранкой. Периодическое изменение силы резания подтверждается экспериментальными данными измерения вибраций (рис. 3.8).

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3.8. Вибрации жесткой опоры кольца

в начале шлифования неравномерного припуска

 

. Это также приводит к росту силы резания (формула (3.5)) и, соответственно, амплитуды колебаний регистрируемых на опоре кольца x₀ (формула (3.3). Этот качественный анализ подтверждается данными, полученными Л.Н. Филимоновым  и собственными экспериментальными результатами, приведенными на рисунках 3.11 и 3.12, на которых отображено увеличение уровня вибраций и амплитуд спектра колебаний при отсутствии правки круга и снижении его режущих свойств, а также заметное увеличение неоднородности структуры поверхностного слоя. 

 

Повышение амплитуды вибраций по мере увеличения ширины резания подтверждается моделированием спектров колебаний на опоре кольца. На рисунках 3.9 а, б, в, г. отражено увеличение амплитуды составляющих спектра на частотах, соответствующих вибрациям ШУ круга и кольца. Составляющие спектра вибраций из-за дисбаланса круга (30 Гц) в модели не изменились ввиду независимости от ширины резания. Вид теоретических спектров качественно соответствует экспериментальным спектрам, полученным на шлифовальном станке SWaAGL-50 (рис. 3.10).

а                                                              б

 

в                                                                        г

Рис. 3.9. Модель спектра колебаний на опоре кольца

при постепенном увеличении ширины резания

 

Влияние правки круга. В том случае, если в процессе шлифования правка круга осуществляется несвоевременно, то анализ формулы (3.5) показывает следующее. Известна формула

            ,                          (3.6)

где k⁰_реж – начальное значение коэффициента, определяющего режущие свойства круга; λ – коэффициент, зависящий от свойств круга и режима шлифования (λ =0,03…0,15); t – текущее время шлифования.

 

а

 

б

Рис. 3.10. Спектр вибрации при резании, измеренный

на жесткой опоре кольца на станке AGL-50:

а - в начальный момент резания, б - по всей ширине шлифования

 

Известна также формула [90]:

,                                       (3.7)

из которой следует, что в соответствии с предыдущей формулой величина k_рез возрастает с увеличением времени шлифования без правки. Это также приводит к росту силы резания (формула (3.5)) и, соответственно, амплитуды колебаний регистрируемых на опоре кольца x₀ (формула (3.3). Этот качественный анализ подтверждается данными, полученными Л.Н. Филимоновым и собственными экспериментальными результатами, приведенными на рисунках 3.11 и 3.12, на которых отображено увеличение уровня вибраций и амплитуд спектра колебаний при отсутствии правки круга и снижении его режущих свойств, а также заметное увеличение неоднородности структуры поверхностного слоя.   

 

Таким образом, полученные модели колебательных процессов в ДС качественно отражают основные регистрируемые амплитудно-частотные характеристики вибраций в ДС при резании при действии ряда возмущений. Это позволяет использовать составляющие спектра вибраций для контроля процесса шлифования и динамического состояния станка при условии, что на основе обучающих экспериментов получены оценки амплитуд и спектра вибрации для нормального режима обработки.