Обеспечение качества формообразования деталей точного машиностроения на основе мониторинга технологического процесса и оборудования (26.10.2009)

Автор: Игнатьев Станислав Александрович

Методы и средства исследования. Теоретические исследования выполнены на основе методов теории автоматического управления, динамики станков, автоматизированного контроля, распознавания образов, анализа случайных процессов с использованием компьютерного моделирования и вейвлет-преобразований сигналов. Экспериментальные исследования проведены в производственных условиях на автоматизированных шлифовальных станках для обработки колец подшипников, оснащенных приборами активного контроля, в том числе многопараметрового, с применением современных средств контроля качества деталей, включая автоматизированный вихретоковый прибор ПВК-К2М (зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений № 26079-03), измерения ВА колебаний узлов станков с применением виброизмерителя ВШВ-003М2 с компьютерной обработкой результатов.

Научная новизна работы:

1. Для обеспечения качества формообразования деталей точного машиностроения на основании комплексных теоретических и экспериментальных исследований и внедрения их результатов решена актуальная научная проблема, связанная с созданием методологических основ организации системы мониторинга технологического процесса и оборудования как многоконтурной обратной связи в системе МКП, с интегрированным в нее автоматизированным многопараметровым контролем качества деталей, динамического состояния станков и процесса обработки.

2. Разработана методология построения СМТП (на примере подшипникового производства) из четырех взаимосвязанных подсистем (организационная, научно-методического, технического и информационного обеспечения), базовой из которых является подсистема технического обеспечения, включающая информационно-измерительные каналы вихретокового контроля качества поверхностного слоя шлифованных деталей подшипников, контроля динамического состояния станков и многопараметрового активного контроля процесса шлифования.

3. Обоснован метод обеспечения качества обработки поверхностей качения на основе оперативного контроля динамического состояния шлифовальных станков как до обработки, так и во время обработки, критериально устанавливаемого в соответствии со стохастическими моделями процессов в технологической системе по интегральным оценкам авто- и взаимным спектрам виброакустических колебаний шпиндельных узлов круга и детали и опоры кольца.

4. Обоснован метод оценки неоднородности структуры поверхностного слоя деталей подшипников на основе автоматизированного вихретокового контроля шлифованных поверхностей качения с выявлением периодических и локальных неоднородностей применением фурье- и вейвлет-преобразований сигналов и методов распознавания образов, и количественной оценкой качества поверхностей, базирующейся на сравнении информационных признаков вихретоковых образов эталонных и изготовленных деталей.

5. Обоснован метод минимизации макро- и микрогеометрических параметров точности и стабилизации качества поверхностей качения колец подшипников при шлифовальной обработке на основе многопараметрового активного контроля величины и скорости съема припуска и вибраций жесткой опоры кольца, позволяющего реализовать управление поперечной подачей круга.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Создано методическое и программное обеспечение для организации многопараметрового контроля в рамках СМТП при изготовлении деталей подшипников (колец и роликов).

Разработано методическое и программное обеспечение для автоматизированной оценки динамического состояния станков по стохастическим характеристикам ВА колебаний в диапазоне до 4 кГц , обеспечивающие паспортизацию станков по динамическому качеству. Экспериментально установлены эталонные значения динамических характеристик шлифовальных станков SIW-5 и SWaAGL-50, которые заносятся в базу данных СМТП. Выявлена связь динамических характеристик с качеством обработки дорожек качения колец подшипников, которое определяется с помощью автоматизированного вихретокового контроля.

Разработано методическое и программное обеспечение для выявления неоднородности структуры поверхностного слоя и автоматизированного распознавания локальных дефектов с использованием вейвлет-преобразований с помощью вихретокового прибора ПВК-К2М, интегрированного в СМТП.

Апробирован метод повышения стабильности геометрических параметров точности (овальности, гранности, волнистости) и однородности структуры поверхностного слоя дорожек качения колец подшипников с использованием микропроцессорного прибора многопараметрового активного контроля, интегрированного в систему мониторинга.

Разработанные методы и средства применены для решения задач корректировки маршрута обработки деталей подшипников при проектировании ТП, контроля изготовления протяженных конструктивов и процесса абразивной доводки деталей двигателя автомобиля.

Внедрение результатов работы осуществлено в ОАО "Саратовский подшипниковый завод" в рамках программы внедрения специальных технических средств для совершенствования системы управления качеством, действующей на предприятии, что позволило на 60-80% повысить стабильность параметров точности и в 4-5 раз сократить брак по качеству поверхностей качения колец, о чем свидетельствуют акты внедрения. Внедрение ряда методических разработок и программных продуктов осуществлено в ОАО "Саратовский электроприборостроительный завод им. С.Орд-жоникидзе" и ЗАО "НПК прецизионного оборудования", что также подтверждается актами внедрения.

Материалы исследований использованы при выполнении "Ползуновского гранта" (2006 г.), а также при выполнении работ в соответствии с тематическим планом СГТУ по заданию Федерального агентства по образованию: "Разработка теоретических основ мониторинга технологического процесса обработки прецизионных деталей на базе современных информационных технологий" (2007 г., № госрегистрации 01200703631) и "Теоретические основы мониторинга состояния оборудования для финишной обработки высокоточных деталей на базе информационного канала многопараметрового активного контроля" (2009 г., № госрегистрации 01200902701).

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 23 конференциях различного уровня:

на международных конференциях: Надежность и качество (Пенза, 2001 г.), Динамика технологических систем (Ростов-на-Дону, 2001 г.; Саратов, 2004 г.; Ростов-на-Дону, 2007 г.), Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении (Саратов, 2002 г.; 2006 г.), Современные технологии в машиностроении (Пенза, 2003 г.), Актуальные проблемы надежности технологических и транспортных машин (Пенза, 2003 г.), Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы (Волжский, 2003 г.; 2004 г.; 2006 г.), Проблемы точной механики и управления (Саратов, 2004 г.), Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении (Тольятти, 2005 г.), Материалы и технологии 21-го века (Пенза, 2006 г.; 2009 г.), Автоматизация технологических процессов и производственный контроль (Тольятти, 2006 г.), Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-21 (Саратов, 2008 г.), Прогрессивные технологии в современном машиностроении (Пенза, 2008 г.), Оптимизация процессов резания, разработка и эксплуатация мехатронных станочных систем (Уфа, 2009 г.);

на всероссийских конференциях: Студенты, аспиранты и молодые ученые – малому наукоемкому бизнесу (Ползуновские гранты, Барнаул, 2006 г.), Материаловедение и технология конструкционных материалов (Волжский, 2007 г.), Высокие технологии в машиностроении (Самара, 2008 г.), Совершенствование существующих и создание новых технологий в машиностроении и авиастроении (Ростов-на-Дону, 2009 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 74 работы, в том числе 15 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 3 монографии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, включает 410 страниц текста, 154 рисунка, 11 таблиц и приложения, список литературы содержит 355 наименований.

На защиту выносятся:

1. Методологические основы организации мониторинга технологического процесса и оборудования, базирующиеся на многопараметровом контроле динамического состояния станков, качества деталей и процесса обработки.

2. Концепция системы МКП, базирующаяся на процессном подходе, в которой система мониторинга является многоконтурной обратной связью по ряду параметров, определяющих качество формообразования деталей и состояние оборудования.

3. Методология построения системы мониторинга ТПО в подшипниковом производстве, основанная на системном подходе, в виде четырех подсистем (организационная, технического, научно-методического и информационного обеспечения).

4. Обоснование метода обеспечения качества обработки поверхностей качения колец подшипников на основе оперативного контроля динамического состояния шлифовальных станков по характеристикам ВА колебаний основных формообразующих узлов.

5. Обоснование метода оценки качества поверхностного слоя деталей подшипников на основе автоматизированного вихретокового контроля шлифованных поверхностей качения с выявлением периодических и локальных неоднородностей.

6. Обоснование метода стабилизации качества поверхностей качения колец подшипников на основе многопараметрового активного контроля величины и скорости съема припуска и вибраций жесткой опоры кольца.

7. Результаты экспериментальных исследований и практического применения разработанных методов и средств автоматизированного контроля и программного обеспечения в рамках системы мониторинга в подшипниковом производстве.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и научная новизна, практическая ценность и реализация результатов работы, а также научные положения и результаты, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу методов и средств обеспечения качества процесса формообразования деталей точного машиностроения. Рассмотрен методологический аспект управления качеством продукции на основе краткого анализа работ по системам менеджмента качества продукции (МКП) как зарубежных, так и отечественных авторов. В промышленно развитых странах во многих фирмах функционируют системы МКП, успешно обеспечивающие ее высокое качество и конкурентоспособность. На предприятиях нашей страны, выпускающих изделия для авиационной, ракетно-космической, электронной, автомобильной и другой техники, также внедряются системы МКП, способствующие повышению качества изделий, причем в основе этих систем для предприятий машино- и приборостроения лежит совершенствование ТПО. На основе известного кругового PDCA-цикла Э.Деминга предложена концепция системы МКП для предприятия (рис.1), базирующаяся на процессном подходе и отражающая роль мониторинга ТПО в управлении качеством изделий.

В основе механообработки лежат процессы резания на МРС и именно от уровня технологической надежности станков зависит качество процессов формообразования. Вопросы качества обработки деталей рассматривались в работах А.С.Проникова, В.А.Кудинова, А.В.Пуша, В.Н.Подураева, Б.М.Базрова, А.Г.Суслова, Б.М.Бржозовского и ряда других ученых. В них отражены многие аспекты формирования качества обработки на различных этапах ТП (от проектирования до контроля

Рис.1. Управление качеством продукции с применением кругового цикла

готовых деталей и изделий). Автором на основе системного подхода рассмотрены основные направления обеспечения технологической надежности МРС, причем выделена роль мониторинга и управления качеством обработки с использованием микропроцессорной техники, позволяющей расширить их функциональные возможности.

Анализируются факторы, влияющие на качество обработки высокоточных деталей на примере шлифовальной обработки деталей подшипников, с выделением доминирующих. Процесс формообразования должен обеспечивать не только геометрические показатели точности деталей (размер, форма, волнистость, шероховатость и т.п.), но и физико-механические показатели поверхностного слоя деталей (однородность структуры, остаточные напряжения и т.п.), что в совокупности определяет надежность деталей при эксплуатации в составе изделий. Указано, что средства активного контроля обеспечивают получение заданных размеров деталей, однако другие параметры качества колец, в частности, волнистость и однородность структуры поверхностного слоя дорожек качения зависят от динамического состояния (уровня вибраций) станков и скорости съема припуска. Возникает необходимость контроля качества изготовленных деталей, динамического состояния станков и расширения функций средств активного контроля, а также оперативной обработки данных для управления ТПО (рис.2), в том числе и для реализации гибкой системы технического обслуживания и профилактического ремонта (СТОиПР) .

Указанные задачи решаются в рамках СМТП. Следует отметить, что отдельные положения по мониторингу ТПО изложены в работах А.В.Пуша В.Л.Заковоротного, Я.Л.Либермана, а затем развиты в работах Б.М.Бржо-зовского, А.А.Игнатьева и В.В.Мартынова. Однако методологические основы организации СМТП, базирующейся на комплексном контроле нескольких параметров, связанных с процессом формообразования высокоточных деталей и изделий, в приложении к производству подшипников в упомянутых работах представлены недостаточно.

Рис.2..Обеспечение качества шлифования колец подшипников

с применением системы мониторинга

В соответствии с изложенным и поставленной целью работы, сформулирован ряд задач исследования, связанных с разработкой методологии мониторинга ТПО, созданием методического обеспечения и реализацией трех информационно-измерительных каналов (оценки динамического состояния станков, вихретокового контроля шлифованных поверхностей, многопараметрового активного контроля процесса шлифования) и практической реализацией СМТП на подшипниковом предприятии.

Вторая глава посвящена разработке методологии организации мониторинга технологического процесса и оборудования при изготовлении деталей точного машиностроения. Высокое качество деталей и изделий достигается за счет совершенствования существующих и разработки новых ТП, совершенствования существующего и внедрения нового оборудования, а также широкого использования средств автоматизации проектирования и управления производством (САD/САМ/САЕ). Для обеспечения качества и эффективности обработки деталей точного машиностроения в условиях автоматизированного производства необходимо иметь СМТП, которая служит технической и информационной базой для системы МКП.


загрузка...