МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ МИКРОПРОФИЛЯ ПОВЕРХНОСТИ

MODELING OF FORMING MICROMETRIC SURFACE PROFILE

Evgeny Zhukov

candidate of Technical Sciences, associate professor of technology of mechanical engineering of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,

Russia, Belgorod

Ruslan Miharev

student of technology of mechanical engineering of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,

Russia, Belgorod

Исследования выполнены в рамках гранта Проект ПСР № 2011-ПР-146 договор № А-28/15 от 14.04.2015 г.

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены вопросы моделирования процесса образования микропрофиля поверхности, получаемой фрезерованием с использованием средств вычислительной техники для регистрации и анализа сигнала измерительных приборов и регистрирующей аппаратуры. Анализ величины микропрофиля поверхности ведется по результатам бесконтактного метода измерения и оценки шага микронеровностей, позволяющим выполнить оперативную диагностику состояния поверхности или произвести её адекватную оценку. Достоверность математической модели подтверждена эмпирическими результатами обработки никелевого сплава в соответствии с рекомендациями производителя инструмента, и матрицей планирования дробно-факторного эксперимента, измерение шероховатости выполнялось с использование профилографа-профилометра «Абрис-7ПМ».

ABSTRACT

In article questions the simulation of the formation of microprofile surface obtained by milling with the use of computer equipment for recording and analyzing signal measurement instruments and recording equipment. Analysis values microprofile surface conducted on the results of a non-contact method of measurement and evaluation steps microroughnesses, allowing to perform an immediate diagnosis condition of the surface or produce it adequate assessment. The reliability of the mathematical model is confirmed by the empirical results of the processing of the nickel alloy according to the instrument manufacturer's recommendations, and the planning matrix fractional factorial experiment, the roughness measurement is performed using a profiler “Abris-7PM”.

Ключевые слова: структура; активный контроль; программа; математическое моделирование; контроль качества; бесконтактные измерения.

Keywords: structure; active control; program; math modeling; quality control; contactless measurement.

Поиск эмпирических зависимостей при оценке микропрофиля поверхности, получаемой фрезерованием, всегда связан с выполнением ряда экспериментов, требующих материальных и временных затрат [1], хотя при этом имеется возможность использования средств вычислительной техники для регистрации и анализа сигнала [2]. Появление аппаратных и программных средств для оценки шага микронеровностей [3] позволяет выполнить оперативную диагностику состояния поверхности или произвести её адекватную оценку. Регистрация мощности, затрачиваемой на снятие припуска, позволяет оценить технологические режимы фрезерования [4]. Всё это позволяет произвести сравнение полученных результатов экспериментов с моделью, которая позволит в дальнейшем не прибегать к экспериментам на оборудовании, а теоретически оценивать шероховатость.

В работе [5] проведен анализ образования микропрофиля поверхности. При выполнении следующих условий: обработка плоской поверхности заготовки сферической фрезой, высота гребешка может быть найдена:

                 , мкм                                       (1)

Выражение (1) действительно без учета важных условий – свойств материала и условий обработки: таких как сил резания, которые вызываю деформацию гребешка микропрофиля поверхности, оцениваемую с помощью программного обеспечения, в нашем случае ELCUT, на основе метода конечных элементов.

Для верификации математической модели была проведена экспериментальная обработка никелевого сплава в соответствии с рекомендациями производителя инструмента, и матрицей планирования дробно-факторного эксперимента, расчёты выполнены с использованием двумерной модели.

Силу, вызывающую деформацию получаемого профиля микронеровностей можно определить:

, кН (2)

Результаты анализа деформации поверхности представлены на рис. 1

Расчет теоретической высоты гребешка микропрофиля поверхности произведём по формуле:

, мм                                                   (3)

Для проверки математической модели по бесконтактной оценке шага микронеровностей требуется выполнить обработку заготовки из никелевого сплава в соответствии с рекомендуемыми производителем режущего инструмента режимами обработки, затем выполнить оценку шага микронеровностей.

Рисунок 1. Анализ деформаций поверхностей получаемой детали

В качестве образца использовалась заготовка диаметром 100 мм и высотой 60 мм (рис. 2), на предварительно фрезерованной площадке (лыске) производилось фрезерование от края болванки, длина паза в каждом опыте составляла приблизительно 15 мм. Все полученные поверхности были пронумерованы путём клеймения пазов поверхности заготовки. Материалом заготовки является жаропрочный никелевый сплав ЖС6Н-ВИ, сплав, содержащий до 75 % никеля, именно этот сплав в современном производстве наиболее часто используется для изготовления формообразующих деталей для получения изделий из стекла. Большое содержание никеля в сплаве позволяет оценить его влияние на чистоту обрабатываемой поверхности.

Рисунок 2. Обработанная заготовка для проведения эксперимента

В качестве инструмента для обработки была назначена концевая сферическая цельная твёрдосплавная фреза диаметром 12 мм, фреза имеет четыре зуба с углом винтовой канавки 12º.

Измерение шероховатости выполнялось с использование прибора профилографа-профилометра «Абрис-7ПМ» на кафедре технологии машиностроения БГТУ им. В.Г. Шухова.

На следующем этапе выполнялось фотографирование поверхности цифровым микроскопом с х50 и х200 кратным увеличением [6].

Обработка поверхности заготовки производилась в соответствии со следующими технологическими условия: диапазон скоростей резания от 15 до 35 м/мин, подач − 0,03 мм/зуб, глубина резания – от 0,19 до 0,55 мм. Эти параметры были назначены в соответствии с рекомендациями производителя инструмента.

Согласно pезультатам экспеpимента обpаботка заготовки из жаpопpочного сплава твёpдосплавной концевой сaеpической apезой выполняется с получением шеpоховатости повеpхности менее 1 мкм. Для пpиемлемой веpоятности опpеделения шеpоховатости тpебуется пpедваpительно найти коэффициент пpеобpазования, отобpажающий соотношение шага микpонеpовностей к паpаметpу Ra. Эта задача может быть выполнена пpи анализе pезультатов замеpов полученной шеpоховатости Ra и шага микpонеpовностей на измеpенной повеpхности Sm, полученных по pезультатам экспеpиментальной обpаботки обpазца из жаpопpочного сплава.

Коэффициент коppекции, полученный по pезультатам моделиpования измеpения высоты гpебешка микpонеpовности нельзя использовать в качестве коэффициента пеpевода, так как он не полностью отpажает влияние паpаметpов технологического пpоцесса и свойств матеpиала заготовки, условий обpаботки на высоту микpонеpовностей получаемой повеpхности. Тpебуется дополнительный анализ pезультатов измеpений экспеpиментально обpаботанной повеpхности, так как по pезультатам опытной обpаботки, с помощью пpоaилометpа-пpоaилогpаaа пpоизведены измеpения всех полученных повеpхностей. Согласно полученным данным коэффициент пpеобpазования изменяется в шиpоком диапазоне от 1,04 до 4,11·10^-6, пpи этом отклонение от сpеднего значения составляет в веpхнюю стоpону 59,4 % в нижнюю − 66,7 %, что в пpинципе не пpиемлемо для использования в качестве коэффициента пpеобpазования найденного коэффициента пpеобpазования. Для более точного опpеделения коэффициента пpеобpазования тpебуется пpоведение дополнительных экспеpиментов для последующей статистической обpаботки их pезультатов, а также пpоведения нескольких замеpов одного и того же участка повеpхности.

Известная величина коэффициента преобразования упрощает как программную, так и аппаратную реализацию приборов для определения шероховатости поверхности по величине шага, таких как описаны в работах [7; 8].

Список литературы:

1. Чепчуров М.С. Определение шага микропрофиля поверхности, полученной механической обработкой / М.С. Чепчуров, О.В. Егунов, С.Ю. Косулин, А.Г. Схиртладзе // Ремонт, восстановление, модернизация. – 2011. – № 3. –С. 40–42.
2. Чепчуров М.С. Использование АЦП для регистpации и обpаботки аналогового сигнала в ПК / М.С. Чепчуров // Ремонт, восстановление, модернизация. – 2008. – № 6. – С. 31–34.
3. Чепчуров М.С. Бесконтактный способ контроля шероховатости поверхности деталей пресс-форм и его реализация / М.С. Чепчуров, Ю.А. Афанаскова // Технология машиностроения. – 2009. – № 11. – С. 15.
4. Чепчуpов М.С. Контpоль и pегистpация основных паpаметpов pезания пpи обpаботке кpупногабаpитных деталей / М.С. Чепчуpов //Технология машиностроения. – 2008. – № 3. – С. 11–12.
5. Чепчуров М.С. Обеспечение требуемой шероховатости при высокопроизводительной обработке никелевых жаропрочных сплавов / М.С. Чепчуров, А.Д. Короп, С.В. Старостин // Ремонт, восстановление, модернизация. – 2010. – № 9. – С. 23–25.
6. Чепчуров М.С. Контроль и регистрация параметров механической обработки крупногабаритных деталей: монография / М.С. Чепчуров – Белгород: Изд-во Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2008. – 232 с.
7. Чепчуров М.С. Обработка отверстий в жаропрочных сплавах с контролем шероховатости поверхности / М.С. Чепчуров, И.А. Горбачев, А.Н. Феофанов // Технология машиностроения. –2014. – № 8. – С. 13–17.
8. Челядинов Д.В. Реализация прибора подсистемы контроля шероховатости в АСУ контроля параметров технологического процесса механической обработки отверстий малого диаметра / Д.В. Челядинов, М.С. Чепчуров // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. – 2007, Т. 12. – № 1. – С. 102–104.