Технологічне забезпечення точності шліфованих деталей за рахунок керування тепловим режимом технологічних рідин

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 131 – Прикладна механіка (13 – Механічна інженерія). – Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, м. Харків, 2023. Роботу виконано на кафедрі «Технологія машинобудування і металорізальні верстати» Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України. З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» за адресою: 61002, м. Харків, вул. Кирпичова 2. У дисертаційній роботі представлені результати аналітичних і експериментальних досліджень, а також розробки практичних рекомендацій щодо підвищення точності оброблюваних деталей і ефективності технологічного процесу зовнішнього круглого шліфування за рахунок зменшення температурних деформацій, викликаних тепловою дією застосованих технологічних рідин. Об’єктом дослідження є технологічний процес механічної обробки на круглошліфувальних верстатах із застосуванням технологічних рідин. Предметом дослідження є закономірності, що проявляються при формуванні технологічного процесу обробки на круглошліфувальних верстатах із застосуванням технологічних рідин. Дисертація є цілісним завершеним дослідженням, яке присвячено розв’язанню актуальної для технології машинобудування науково-практичної задачі – розробці наукових і методичних засобів технологічного забезпечення точності обробки шліфуванням за рахунок керування тепловим технологічних рідин. Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що на основі аналізу теплових процесів у шліфувальних верстатах і їх впливу на формування точності обробки деталей із застосуванням МОР, досліджень і досягнень у цій галузі вперше сформульовані структура побудови і принципи проектування та експлуатації підсистем застосування технологічних рідин круглошліфувальних верстатів, що дозволяють зменшити температурний вплив технологічних рідин на теплові деформації елементів верстатів і підвищити точність обробки шліфуванням і базуються на: – розробці ряду принципово нових рішень, спрямованих на забезпечення точності обробки шліфуванням за рахунок керування тепловим режимом технологічних рідин, зокрема, мастильно-охолоджуючої рідини, та визначенні механізму впливу теплового стану МОР на зміну параметрів деталей і вузлів шліфувальних верстатів; – встановленні взаємовпливу робочих рідин інших функціональних систем верстату та їх ролі у виникненні теплових деформацій шпиндельного вузла верстата; – у подальшому розвитку і удосконаленню математичної моделі системи застосування МОР шліфувального верстата, яка дає можливість визначити поточну температуру у будь якій контрольній точці цієї системи як при безперервній роботі цієї системи у робочому режимі, так і при її роботі у циклічному режимі врізного шліфування; – у побудові вперше математичної моделі і розробці схеми шліфування з додатковими проміжними правками (ДПП) шліфувального круга, що дозволяє знизити теплонасиченість круглошліфувальних верстатів за рахунок вибору раціональної схеми і кількості правок круга. Практичне значення отриманих результатів для машинобудівної галузі ставиться у розробці і впровадженні у виробництво: – методики і програмних засобів проектування структури і розрахунку параметрів підсистем застосування МОР шліфувальних верстатів при забезпеченні раціонального теплового режиму шліфування і зниження впливу теплових процесів у робочих рідинах на теплові деформації базових елементів верстата; – методики і програмних засобів призначення раціональних схем і кількості правок при шліфуванні з ДПП для зниження теплонасиченості процесу круглого шліфування; – конструкції пристрою для подачі МОР у зону різання (пат. України № 136095), що забезпечує зменшення пружних та теплових деформацій деталей шліфувального верстата, дозволяє зберегти функціональні властивості МОР і збільшити термін її використання за рахунок усунення контакту рідини із розжареними відходами шліфування; – програми (Свідоцтво України №95215 про реєстрацію авторських прав на твір) автоматизованого розрахунку параметрів теплового режиму підсистеми застосування МОР круглошліфувального верстату, що дозволяє визначити температуру рідини у на різних елементах системи її застосування і резервуарі МОР та його потрібний об’єм; – програми (Свідоцтво України №99502 про реєстрацію авторських прав на твір) автоматизованого розрахунку параметрів шліфування з ДПП, яка дозволяє визначити ефективну технологічну схему шліфування. Результати дисертаційного дослідження використані при проектуванні систем застосування МОР шліфувальних верстатів на підприємстві «Техносервіс АВ» (м. Коростень Житомирської обл.) та ПАТ «Виробничо-комерційна фірма АС» (м. Київ). Розроблені практичні рекомендації по їх використанню. Крім того, матеріали дисертації використовуються у навчальному процесі НТУ «Харківський політехнічний інститут» та Національної академії Національної гвардії України. 7. Результати дослідження апробовані і впроваджені на промисловому підприємстві «Техносервіс АВ» (м. Коростень Житомирської обл.) з економічним ефектом 39684 гр. та ПАТ «Виробничо-комерційна фірма АС» (м. Київ) з економічним ефектом (100000 гр.). Розроблені практичні рекомендації по їх використанню. Крім того, матеріали дисертації використовуються у навчальному процесі НТУ «Харківський політехнічний інститут» та Національної академії Національної гвардії України. Методичною та теоретичною базою дослідження є фундаментальні положення технології машинобудування, теорії різання матеріалів, теорії ймовірності і математичної статистики, системного аналізу, методичні розробки та наукові праці провідних вчених з питань інтенсифікації і підвищення ефективності та конкурентоздатності машинобудівного виробництва. У вступі обґрунтовано актуальність задач дослідження, наведено наукову новизну та сформовано практичне значення одержаних результатів. В першому розділі проведено аналіз сучасного стану досліджень в області теплового впливу робочих рідин шліфувальних верстатів на точність обробки деталей. Визначені основні напрями досліджень в області стабілізації теплового режиму МОР. У другому розділі розглянуто теоретичні передумови моделювання температурних деформацій в елементах круглошліфувального верстата. Розроблено математичну модель теплообміну у резервуарі МОР та встановлено зв’язок температури у резервуарі з кількістю теплоти, що виділяється у зоні різання, та об’ємом охолоджуючої рідини у резервуарі. В третьому розділі розроблено основні напрямки, поставлені задачі експериментальних і розрахунково-аналітичних досліджень, призначене устаткування, засоби вимірювання і програмне забезпечення для проведення експериментів. В розділі 4 на основі розробки 3D-моделі шліфувальної бабки круглошліфувального верстату в середовищі CREO Simulation виконане дослідження її статичного і динамічного теплового стану і встановлено його вплив на теплові деформації шпинделя. В розділі 5 розроблено пристрій подачі МОР у зону різання, що передбачає ізоляцію контакту МОР з поверхнями елементів верстату та збільшення жорсткості технологічної системи верстату. Запропоновано конструктивні заходи, що дозволяють забезпечити безперешкодний доступ МОР в зону контакту шліфувального круга і заготовки. Запропоновано математичні моделі теплового балансу на цих ділянках і кількості теплоти, що виділяється з нагрітої МОР і відводиться струменями повітря. Dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in specialty 131 – Applied Mechanics (13 – Mechanical Engineering). - National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2023. The work was performed at the Department of Mechanical Engineering and Metal Cutting Machines of the National Technical University Kharkiv Polytechnic Institute of the Ministry of Education and Science of Ukraine. The dissertation can be consulted in the library of the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" at the address: 61002, Kharkiv, str. Kirpychova 2. The dissertation presents the results of analytical and experimental research, as well as the development of practical recommendations for improving the accuracy of the processed parts and the efficiency of the technological process of external circular grinding due to the reduction of temperature deformations caused by the thermal effect of the applied technological fluids. The object of research is the technological process of mechanical processing on circular grinding machines with the use of technological fluids. The subject of the study is the regularities that appear during the formation of the technological process of processing on circular grinding machines with the use of technological fluids. The dissertation is a complete completed study, which is dedicated to the solution of a scientific and practical task relevant for machine-building technology - the development of scientific and methodical means of technological assurance of the accuracy of grinding processing due to the control of the thermal regime of the lubricating-cooling liquid. The scientific novelty of the obtained results lies in the fact that based on the analysis of thermal processes in grinding machines and their influence on the formation of the accuracy of processing parts with the use of MOR, research and achievements in this field, the construction structure and principles of design and operation of the subsystems of the use of fluids of circular grinding machines were formulated for the first time, which allow to reduce the temperature effect of technological fluids on the thermal deformations of machine tool elements and to increase the accuracy of grinding processing and are based on: - the development of a number of fundamentally new solutions aimed at ensuring the accuracy of grinding processing by controlling the thermal regime of technological fluids, in particular, lubricating and cooling fluid, and determining the mechanism of influence of the thermal state of the MOR on the change in the parameters of parts and assemblies of grinding machines; - establishing the mutual influence of working fluids of other functional systems of the machine tool and their role in the occurrence of thermal deformations of the machine spindle assembly; - in the further development and improvement of the mathematical model of the application system of the MOR of the grinding machine, which makes it possible to determine the current temperature at any control point of this system both during the continuous operation of this system in the working mode and during its operation in the cyclic mode of mortise grinding; – for the first time, in the construction of a mathematical model and the development of a grinding scheme with additional intermediate adjustments (DPP) of the grinding wheel, which allows to reduce the heat saturation of circular grinding machines due to the selection of a rational scheme and the number of adjustments of the wheel. The practical significance of the obtained results for the machine-building industry is placed in the development and implementation in production: – methods and software tools for designing the structure and calculating the parameters of the subsystems of the application of coolant grinding machines while ensuring a rational thermal regime of grinding and reducing the influence of thermal processes in the working fluids on the thermal deformations of the basic elements of the machine; – methods and software tools for assigning rational schemes and the number of edits when grinding with DPP to reduce the heat saturation of the circular grinding process; – the design of the device for supplying coolant to the cutting zone (Ukrainian patent No. 136095), which ensures the reduction of elastic deformations of parts of the grinding machine, allows you to preserve the functional properties of coolant and increase its useful life due to the elimination of liquid contact with heated grinding waste; – programs (Certificate of Ukraine No. 95215 on the registration of copyrights for the work) for automated calculation of the parameters of the thermal mode of the subsystem of the coolant application of the circular grinding machine, which allows you to determine the temperature of the liquid in the various elements of the system of its application and the coolant tank and its required volume; – programs (Certificate of Ukraine No. 99502 on the registration of copyrights for a work) for the automated calculation of grinding parameters from DPP, which allows you to determine an effective technological scheme of grinding. The results of the dissertation research were used in the design of systems for the application of coolant grinding machines at the enterprise "Technoservice AV" with a positive economic effect, as well as in the educational process of the departments of mechanical engineering technology of NTU "KhPI" and the department of engineering mechanics of the National Academy of the National Guard of Ukraine. The methodological and theoretical basis of the study is the fundamental provisions of machine-building technology, the theory of cutting materials, the theory of probability and mathematical statistics, system analysis, methodical developments and scientific works of leading scientists on issues of intensification and increasing the efficiency and competitiveness of machine-building production. The introduction substantiates the relevance of research tasks, provides scientific novelty, and forms the practical significance of the obtained results. In the first chapter, an analysis of the current state of research in the field of the thermal influence of working fluids of grinding machines on the accuracy of processing parts is carried out. The main directions of research in the field of stabilization of the thermal regime of the coolant have been determined. In the second chapter, the theoretical prerequisites for modeling temperature deformations in the elements of a circular grinding machine are considered. A mathematical model of heat exchange in the coolant tank was developed and the relationship between the temperature in the tank and the amount of heat released in the cutting zone and the volume of coolant in the tank was established. In the third section, the main directions are developed, the tasks of experimental and calculation-analytical research are set, the equipment, measuring tools and software for conducting experiments are assigned. In chapter 4, based on the development of a 3D model of the grinding head of a circular grinding machine in the coolant Simulation environment, a study of its static and dynamic thermal state was performed and its influence on thermal deformations of the spindle was determined. In section 5, a device for supplying coolant to the cutting zone is developed, which provides isolation of coolant contact with the surfaces of machine tool elements and increasing the rigidity of the technological system of the machine. Constructive measures are proposed to ensure unhindered access of the coolant to the contact zone between the grinding wheel and the workpiece. Mathematical models of the heat balance in these areas and the amount of heat released from the heated coolant and removed by air jets are proposed.