Повышение качества деталей при шлифовании в условиях плавучих мастерских

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА 

ДЕТАЛЕЙ ПРИ ШЛИФОВАНИИ 

В УСЛОВИЯХ ПЛАВУЧИХ 

МАСТЕРСКИХ

Монография

Москва

ВУЗОВСКИЙ УЧЕБНИК

ИНФРА-М

2018

С.М. Братан, Е.А. Владецкая, 
Д.О. Владецкий, А.О. Харченко

СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ 
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
УНИВЕРСИТЕТ

УДК 621.923(075.4)
ББК 34.637.3
 
Б87

© Братан С.М., Владецкая Е.А., 
   Владецкий Д.О., Харченко А.О., 
   2017
© Вузовский учебник, 2017

ISBN 978-5-9558-0598-6 (Вузовский учебник)
ISBN 978-5-16-013450-5 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-106107-7 (ИНФРА-М, online)

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

Подписано в печать 15.09.2017. 

Формат 60×90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton. 

Печать цифровая. Усл. печ. л. 10,0.

Тираж 500 экз. Заказ № 00000

ТК 669352-934720-150917

Издательский Дом «Вузовский учебник»

127247, Москва, ул. С. Ковалевской, д. 1, стр. 52

www.vuzbook.ru

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

E-mail: books@infra-m.ru                 http://www.infra-m.ru

Братан С.М.

Б87 
 
Повышение качества деталей при шлифовании в условиях 

плавучих мастерских : монография / С.М. Братан, Е.А. Владецкая, 
Д.О. Владецкий, А.О. Харченко. — М. : Вузовский учебник : 
ИНФРА-М, 2018. — 154 с. — (Научная книга).

ISBN 978-5-9558-0598-6 (Вузовский учебник)
ISBN 978-5-16-013450-5 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-106107-7 (ИНФРА-М, online)

Рассматриваются вопросы обеспечения параметров качества деталей 

на основе моделирования вибрационных воздействий. Выполнена теоретическая и экспериментальная оценка комплекса технических решений виброизолирующих устройств для получения параметров качества шлифованных 
поверхностей деталей в условиях плавучих мастерских, получены новые 
функциональные зависимости частоты колебаний и амплитуды виброперемещений для разных уровней внешних вибрационных воздействий. Обоснован выбор новых конструкций виброизолирующих опор, повышающих 
надежность и обеспечивающих качество шлифования.

Книга предназначена для специалистов, работающих в области маши
но- и судостроения, преподавателей и студентов технических вузов.

УДК 621.923(075.4)

ББК 34.637.3

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

Введение

Для промышленности приморских городов, в которых базиру
ется флот, характерно наличие плавучих мастерских (ПМ) и плавучих 
рейдовых мастерских (ПМР) с размещенными на палубах производственными участками, в том числе и механообрабатывающими с широким 
спектром станочного оборудования, включая шлифовальные станки. 
ПМ и ПМР выполняют сложные работы по изготовлению и модернизации высокотехнологичных изделий, узлов и агрегатов специального 
назначения в удалённых от пунктов базирования районах. 

Особенностью эксплуатации указанного оборудования является 

наличие вибраций,  снижающих точность и повышающих шероховатость обрабатываемых поверхностей. Разброс выходных показателей 
качества объясняется возмущающими воздействиями, влияющими на 
технологический процесс. Нестабильность параметров качества деталей 
определяется воздействием в процессе их производства изменяющихся 
внешних факторов, часть из которых не контролируется в процессе обработки и приводит к нестабильности свойств выпускаемой продукции. 
Особенно актуальна эта проблема для шлифовальных станков, работающих на механообрабатывающих участках  ПМ и ПМР. 

Снижение уровня вынужденных колебаний станка за счет эф
фективности виброизоляции с учетом особенностей процесса обработки 
на этапах проектирования следует отнести к актуальным задачам, решение которых обеспечит повышение технологических показателей процесса.

Глава 1
АНАЛИЗ ПРИЧИН СНИЖЕНИЯ КАЧЕСТВА ДЕТАЛЕЙ ПРИ
ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКЕ В УСЛОВИЯХ ПЛАВУЧИХ
МАСТЕРСКИХ

1.1
Анализ влияния возмущающих факторов

на параметры качества при финишной обработке деталей
машин

Фундаментальные положения обеспечения точности и качества в 

теории шлифования, в том числе и с учетом динамических особенностей, 
освещены в исследованиях: Анельчика В.Д.[1], Бакуля В.Н. [7], Беззубенко Н.К. [10], Бокучавы Г.В. [14], Братана С.М. [22], Внукова Ю.Н. [49], 
Гавриша А.П. [52], Грабченко А.И. [60], Евсеева Л.Г. [74], Кальченко В.И. 
[80], Королева А.В. [86], Корчака С.Н. [87], Лавриненко С.Н. [97], Ларшина В.П. [98], Лурье Г.Б. [104], Маслова Е.Н. [107],Маталина А.А. [108, 
109], Новикова Ф.В. [115], Новоселова Ю.К. [116, 117, 118], Островского 
В.И. [122], Петракова Ю.В. [125,126], Сизого Ю.А. [146], Филимонова 
Л.Н. [160], Якимова А.В. [177, 178] и многих других [73, 77, 80, 143].

Представленные работы освещают широкий спектр проблем, возни
кающих при шлифовании, посвящены совершенствованию процессов, 
технологии и оборудования для обеспечения качественной обработки 
деталей, позволяют решать комплекс задач, направленных на существенное повышение производительности обработки, уменьшение себестоимости производства изделий, повышение культуры производства и безопасности труда. В них показаны необходимость дальнейшего повышения 
качества и производительности круглого шлифования за счет совершенствования параметров технологической системы, выбора оптимальных 
режимов процессов обработки, управления циклом шлифования, контроля, а также рационального выбора инструментов, оборудования и приспособлений.

Анализ рассмотренных работ позволяет четко выделить два подхода, 

связывающие процесс микрорезания со съемом припуска. К первому –
относятся подходы, основанные на принципе копирования поверхности 
шлифовального круга в материале заготовки. При этом на поверхности 
инструмента выделяются режущие профили без выделения отдельных 
зерен. По набору этих профилей, с учетом кинематики шлифования строится режущий профиль, который копируется на заготовке.

Недостатком этого подхода является отсутствие учета упруго
пластических деформаций металла, разделение профиля на режущие, 
скоблящие, давящие и не режущие зерна. К другому – подходы, основанные на принципе моделирования поверхности инструмента как совокупности случайно расположенных зерен определенной геометрии. 

Этот подход использован в работах Королева А.В., Новоселова Ю.К., 

и других. Модели, основанные на этом подходе, более точны, но разработаны только для ограниченных областей применения и требуют дальнейшей доработки для моделирования всего многообразия процессов протекающих при различных видах шлифования.

Вышеуказанные модели используются для расчета циклов обработки 

деталей на станках с ЧПУ, однако вследствие того, что они не учитывают 
влияние возмущающих факторов, их применение не приводит к положительному результату, например, при шлифовании заготовок в условиях 
механообрабатывающих участков плавучих мастерских. Они могут быть 
использованы для расчетов предельных граничных циклов [22].

Однако при форсированных технологических режимах в силу возрас
тания чувствительности технологических систем (ТС) к возмущающим 
факторам наблюдается потеря качества обработки [22, 142]. В связи с тем, 
что процессы шлифования имеют стохастическую природу, в процессе 
резания изменяются не только параметры объекта, но и самой ТС. Это 
приводит к нестабильности качества изделий и не позволяет в полной 
мере использовать значительные технологические возможности круглого 
шлифования. Обеспечение динамической стабильности технологического 
процесса и ТС в значительной мере определяет стабильность качества 
выпускаемой продукции. В соответствии с ИСО/ПСК 2 9000:2000 стабильность качества выпускаемой продукции определяется как гарантированность повторяемости свойств изделий. Существующие ТС и технологические процессы не позволяют уменьшить разброс параметров изделий. 
Так, например, по данным ХРП «АвтоЗАЗ-Мотор» (г. Мелитополь), в 
результате испытаний коленчатых и распределительных валов при снижении волнистости до 0,3 мкм и ужесточении полей допусков на 25 % их 
срок службы повысился в 2,5 раза. Однако, при этом, доля изделий, произведенных по традиционным технологиям, не попавших в указанные 
допуски, превысила 70 % [117].Для компенсации воздействия возмущений обычно пытаются использовать замкнутые системы с приборами активного контроля. Однако, вследствие отсутствия адекватных моделей 
протекающих процессов, возмущений ТС, комплекса средств диагностики, недоступности ряда параметров непосредственному измерению и 
контролю, они не получили широкого распространения. 

В работах Прилуцкого В.А. [131], рассмотрены причины возникнове
ния технологической волнистости поверхности обрабатываемой детали, 
показаны пути ее уменьшения в целях улучшения эксплуатационных 
свойств детали (износостойкости, прочности, точности и т.д.). Одной из 
основных причин возникновения волнистости автор называет вибрации 
ТС «станок–приспособление–инструмент–деталь», приводящие к рассогласованию заданной траектории и действительной траектории движения 
заготовки и инструмента. В ТС кроме перемещений заготовки и инстру

мента, предусмотренных кинематикой станка есть множество микродвижений – колебаний (вибраций) отдельных звеньев технологической системы, приводящих к рассогласованию траекторий относительного движения заготовки и инструмента.

Собственные (свободные) колебания происходят в системе после 

внешнего возмущения [105, 106, 121]. Они характеризуются частотой 
собственных колебаний: 

m
k


;

логарифмическим декрементом:

,
ln

1 










х
х

m

fTД

где k – коэффициент жесткости; m – масса; f – коэффициент сопротивления и демпфирования; TД – демпфированный период; x, x1 – последующие 
амплитуды.

Собственные колебания детали, установленной в центрах круглошли
фовального станка, зависят от ее диаметра, длины, конфигурации, материала, характера зажатия центров.

Вынужденные колебания происходят под действием внешних перио
дических сил. Эти силы обусловлены процессом резания при снятии неравномерного припуска, обработке прерывистых поверхностей, работе 
инструмента или вызваны источником, находящимся вне зоны резания, 
например, работой рядом стоящего другого оборудования и транспорта, 
микросейсмическими процессами, неуравновешенностью вращающихся 
элементов системы (электродвигателей, заготовки, инструмента и приспособлений), дефектами ременных, зубчатых и других передач. Действие гармонической внешней силы F(t)=FacosΩt, (где Fa – амплитуда; Ω –
частота вынужденных колебаний) уравновешивается силой инерцииMx, 
силой сопротивления fx и силой упругости kx:

 .
t
F
kx
xf
х
М


 


Действие сил сопротивления такого вида называют демпфированием. 

Амплитуда вынужденных колебаний (если собственными затухающими 
колебаниями пренебречь) определяется по формуле:








2

2
2
2

2
2
2






 













M

f
M

F

f
M
k

F
AВ






Значение амплитуды максимально при Ω/ω →1, когда система при
ближается к резонансу. Условием нормального протекания процесса 
механической обработки является соотношение:

.3,1
7,0


 

При одновременном действии нескольких возмущающих сил выну
жденные колебания многокомпонентны. Параметрические колебания 
вызываются периодическим изменением какого-либо физического параметра системы (массы, жесткости и т.д.). Автоколебания возникают в 
системе при отсутствии внешнего периодического воздействия и протекают на частотах, близких к собственным частотам.В зависимости от 
базы отсчета различают абсолютные и относительные колебания. Абсолютные колебания, отсчитываемые обычно от земли, измеряются 
сейсмическими датчиками. Относительные колебания фиксируют перемещения элементов ТС относительно друг друга. 

Исследования авторов [131, 108] показывают, что высота волнисто
сти почти линейно зависит от дисбаланса шлифовального круга при 
шлифовании. Неуравновешенность обрабатываемой детали влияет на 
волнистость, особенно при установке заготовки в центрах. Неуравновешенность шлифовального круга вызывает вибросмещения шлифовального круга и шлифовальной бабки, сдвинутые по фазе, которые могут 
быть значительными. Виды возмущающих воздействий в процессе 
шлифования h1,…,h11 (рис. 1.1) проанализированы в работе [112], выявлен характер их проявления и уровни воздействий на технологический 
процесс. 

Обеспечение качества и эффективности операции круглого шлифо
вания возможно только на основе комплексных динамических моделей, 
учитывающих воздействие внешнего оборудования, и окружающей среды, которое в производстве в условиях ПМ неизбежно присутствует и 
влияет на характер протекающих процессов. 

Для промышленности приморских городов, в которых осуществля
ется базирование флота, характерно наличие таких мобильных плавучих 
мини-заводов, как плавучие мастерские (ПМ) и рейдовые плавучие мастерские (ПМР). Квалифицированный личный состав ПМ включает до 
150 рабочих-станочников и инженеров, способных выполнять сложные 
работы по изготовлению и модернизации высокотехнологичных изделий, узлов и агрегатов (производственная мощность – 225 000 нормочасов в год),  в том числе и специального назначения в районах, удалённых от основных пунктов базирования. На палубах ПМР и ПМ (рис. 1.2 
и 1.3) размещены различные участки, в том числе и механообрабатывающие, имеющие практически все виды станочного оборудования, в 
числе которых – шлифовальные станки (рис. 1.4), например, моделей 
3В12, 3У12, 3Г71М и т.п.

Рис. 1.1. Виды колебаний и возмущающих воздействий в процессе 

шлифования: h1 – изменение упругих деформаций отдельных узлов ТС; 
h2 – температурные деформации отдельных узлов и элементов системы; 
h3 – люфт в сочленениях звеньев соответствующей кинематической цепи станка; h4 – изменение физико-химических свойств обрабатываемой 
детали; h5 – неточность установки обрабатываемой заготовки; h6 – размерный износ шлифовального круга; h7 – изменение состава и расхода 
охлаждающей жидкости;h8 – изменение геометрии обрабатываемой детали (вариации припуска в осевом и радиальном направлениях, разностенность и т.п.); h9 – вариации потерь холостого хода и нагрузочных 

потерь кинематической цепи станка; h10, h11 – вариации скоростей 

шпинделей шлифовального круга и обрабатываемой детали соответственно по причине изменения питающего напряжения и изменения момента сопротивления на валах электродвигателей; h12 – относительные 

колебания узлов станка

Однако даже оснащение ПМР и ПМ станками, имеющими классы 

точности – П, В, А, С, не обеспечивает достижение заявленных показателей точности и качества при обработке из-за наличия вибраций, вызванных действием различных источников. При этом часть внешних 
факторов, влияющих на технологическую систему станка до настоящего 
времени не изучена и не контролируется в процессе обработки. 

Рис. 1.2. Общий вид рейдовой плавучей мастерской (ПМР)

Рис. 1.3. Общий вид плавучей мастерской (ПМ), г. Севастополь

Рис. 1.4. Станочное оборудование механообрабатывающих участков 

плавучих мастерских

Ослабление вынужденных колебаний станка, передаваемых от со
седнего оборудования в плавучих мастерских, а также учет таких воздействий внешней среды, как колебания водной поверхности, передающие вибрационные воздействия через плавучее основание и поверхность палубы на технологическую систему станка, позволили бы определить пути повышения эффективности виброизоляции станков, и как 
результат, обеспечить качество деталей при шлифовании в условиях 
ПМ и ПМР.

1.2 Анализ существующих динамических моделей процесса

формообразования поверхностей при шлифовании

Динамике технологического оборудования посвящены многочис
ленные исследования российских и зарубежных ученых. Этим вопросам 
уделено значительное внимание уже в 30-е годы прошлого века в капитальных трудах Ачеркана Н.С. и Шлезингера  В.Н.[111]. К концу 30-х 
годов фундаментальное исследование жесткости станков выполнил Вотинов К.В. в ЭНИМСе, выявив значимость контактных деформаций в 
общем балансе упругих деформаций элементов станка, разработал методику экспериментального определения жесткости и предложил некоторые пути ее повышения. В дальнейшем жесткость станков исследовали Соколовский А.П. [147], Решетов Д.Н. [138, 139, 140], Балакшин Б.С. 
[8] и другие. На автоколебательную природу вибраций, возникающих 
при резании металлов, впервые указал  Дроздов Н.А. В 40-х годах причины возникновения вибраций при резании исследовали Каширин А.И. 
и Соколовский А.П. [147]. Затем исследования в этом направлении развивали Кудинов В.А. [89, 90], Эльясберг М.Е. [174, 175, 176], Тлусты  И. 
(Чехословакия) [158], Векк  М. (Германия) и другие.  Кудинов В.А. 
комплексно рассмотрел основные динамические процессы, возникающие в станках при резании[89, 90]. Исследованиям и разработкам методов расчета статических и динамических характеристик основных элементов станков посвящены научные труды Решетова Д.Н. [138, 139, 
140], Пуша В.Э. [136], Проникова А.С. [132, 133], Вейца В.Л. [27], Каминской В.В. [81], Левиной З.М. [100] и других.

Кашириным А.И. [147] рассмотрен механизм вторичного возбужде
ния вибраций, связанный с совпадением переменного (из-за вибраций) 
припуска с самими вибрациями по частоте и фазе. Автором также экспериментально измерены колебания узлов станка и силы резания при 
вибрациях, исследовано влияние параметров станка и схем обработки 
на частоту и интенсивность колебаний, затронут вопрос о рассеянии 
энергии при вибрациях. 

Работы Кудинова В.А. отличаются широким подходом к вибрациям 

станков, как к одному из частных случаев потери устойчивости движе