Структурно-параметрическая оптимизация точения материалов на основе математического моделирования процесса обработки

Среди важнейших проблем, стоящих в настоящее время перед отечественной машиностроительной промышленностью, одно из первых мест занимает проблема повышения рентабельности производства, под которой понимают совокупность технико-экономических показателей, характеризующих общую эффективность организации данного производства.

Проведение различных мероприятий, направленных на повышение рентабельности в деятельности конкретного предприятия, необходимо начинать с первых его уровней — т. е. с операций механообработки, уделяя при этом особое внимание вопросу выбора наиболее рациональных технологических условий их осуществления, т.к. именно они предопределяют результативность анализируемых операций, а в конечном итоге — себестоимость изготовляемой продукции и производительность труда в сфере производства.

В данной работе рассматривается задача создания на базе математического моделирования процесса точения (наиболее распространенного в металлообрабатывающей промышленности) научно обоснованной методологии и достоверного унифицированного математического обеспечения, позволяющих практически реализовать (с помощью ЭВМ) комплексную структурно-параметрическую оптимизацию технологических условий токарной обработки материалов и путем этого целенаправленно достичь (без дополнительных трудовых и материальных затрат) наивысшей технико-экономической эффективности анализируемого процесса точения.

Работа выполнена в Рыбинской государственной авиационной технологической академии на кафедре «Станки и инструменты», возглавляемой Заслуженным деятелем науки и техники РФ, д.т.н., профессором Силиным Сергеем Семеновичем, которому авторы выражет благодарность за консультационную помощь при написании диссертации.

ОБРЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ и На основе использования передовых достижений в теории резания материалов, а также самостоятельно проведенного экспериментального изучения, теоретического анализа и математического моделирования физико-механических и теплофизических явлений, происходящих при точении материалов, разработаны научно обоснованные методики и достоверные аналитические выражения для расчетного определения на стадии технологической подготовки производства основных темпе-ратурно-силовых, контактных, стойкостных, технико-экономических и других выходных характеристик процесса токарной обработки материалов.

Отличительной особенностью и научной новизной указанных аналитических выражений, является то, что они учитывают: а) взаимосвязь и взаимовлияние переменных технологических условий обработкив) зависимость сопротивления обрабатываемого материала пластическому сдвигу тр от технологических условий процесса резанияб) текущий износ режущего инструмента, действительные геометрические параметры инструмента (измеряемые в направлении угла схода стружки), диаметр обработки (как геометрический и температурный фактор, изменяющий процесс стружкообразования), жесткость системы СПИД, а также применение СОЖ (при этом поправка на применение СОЖ дается не е виде фиксированного коэффициента, что неправомерно, а е еиОе переменного параметра Кс, функционально зависящего от условий обработки).

Предлагаемые аналитические выражения для определения выходных характеристик токарной обработки, унифицированы и приведены к единой (типовой) форме, отражающей прямую функциональную связь рассматриваемой выходной характеристики с технологическими условиями процесса резания. Подобная типовая форма представления указанных аналитических выражений позволяет значительно упростить работу, связанную с практическим использованием данных выражений при решении задач научно обоснованного и целенаправленного повышения результативности лезвийной обработки материалов, в том числе при создании, отладке и последующей модернизации различных оптимизационных САПР ТП.

2. В ходе проведения работы теоретические путем получены аналитические выражения для определения.

— оптимальной по размерной стойкости инструмента температуры резания (0О);

— величины критического износа режущего инструмента по задней поверхности Ь3(кр};

— сопротивления обрабатываемого материала пластическому сдвигу, отличающиеся научной ноеизнои и практической значимостью.

3. На основе анализа результатов теоретико-экспериментальных исследований, связанных с изучением физико-механических и теплофи-зических явлений при резании материалов, установлено, что угол между направлением силы стружкообразования и условной плоскостью сдвига (угол 10) является константой обрабатываемого материала (в анализируемом его состоянии) и практически не зависит от технологических условий процесса резания.

Значение угла 10, принимаемое многими авторами равным 45°, в действительности составляет величину от 36° до 61° для различных обрабатываемых материалов. Подобное уточнение угла 10, входящего в аналитические выражения для определения многих выходных характеристик процесса резания, значительно повышает степень достоверности этих выражений.

Для определения угла 10 разработано теоретическое выражение, а также простые в реализации экспериментальные метоЭики.

4. Так как разработанные аналитические выражения для научно обоснованного определения температурно-силовых, стойкостных, контактных, технико-экономических и других основных выходных характеристик процесса точения учитывают (в отличие от прототипов) жесткость системы СПИД, эксплуатационные характеристики металлорежущего оборудования, а также практически весь широкий комплекс переменных технологических условий токарной обработки, подлежащих оптимизации (в том числе режимы резания и геометрические параметры инструмента, физико-механические и теплофизические свойства обрабатываемых и инструментальных материалов, свойства используемых СОЖ, их расход, скорость подачи в зону резания и др.), то в силу данной специфичности и существенных отличительных особенностей указанных аналитических выражений представляется реальная возможность использовать их в качестве математического обеспечения автоматизированных систем, предназначенных для осуществления комплексной структурно-параметрической оптимизации технологических условий осуществления анализируемых процессов точения.

Данное предложение практически реализовано в действующей автоматизированной системе 0РТ1М1БАТ011, созданной на базе указанных аналитических выражений (для расчетного определения основных выходных характеристик процесса точения), образующих математическое обеспечение данной системы.

Автоматизированная система ОРТШЙАТОЕ предназначена для обеспечения комплексной структурно-параметрической оптимизации технологических условий токарной обработки материалов (включая выбор модели металлорежущего станка, марки используемой СОЖ, марки инструментального материала и геометрических параметров инструмента, а также режимов резания на каждом проходе с рациональной разбивкой срезаемого припуска на эти проходы).

Указанная автоматизированная система учитывает нарастающий износ режущего инструмента и обеспечивает получение экстремального значения заданного критерия оптимизации технико-экономического характера (себестоимость токарной обработки, производительность труда и др.) при выполнении ограничений, накладываемых на процесс | точения требованиями чертежа, прочностными характеристиками инструмента. эксплуатационными возможностями используемого металлорежущего оборудования и условием обеспечения виброустойчивости токарной обработки.

При структурно-параметрической оптимизации технологических условий токарной обработки материалов разработанная автоматизированная система позволяет реализовать следующие варианты оптимизационных вычислений:

Вариант оптимизационных расчетов Количество проходов, обеспечивающих снятие материала припуска Изменение чисел оборотов шпинделя станка п и подач з режущего инструмента Инструменты, используемые на проходах.

1 1 проход Бесступенчатое 1.

2 Дискретное.

3 2 прохода Бесступенчатое 1 2 (разные1).

4 Ступенчатое (дискретное) 1 2 (разные*) — разные марки инструментальных материалов и геометрические параметры режущей части инструмента.

Отличительной особенностью реализованной в автоматизированной системе методологии структурно-параметрической оптимизации технологических условий токарной обработки материалов на станках с дискретным (ступенчатым) изменением чисел оборотов шпинделя и подач режущего инструмента является введение этапа вторичной оптимизации геометрических параметров используемого инструмента.

Отличительной особенностью реализованной в автоматизированной системе методологии структурно-параметрической оптимизации технологических условий аеухпрохоЗной токарной обработки материалов, является введение этапа аналитического определения (путем последовательного перебора) наиболее рационального коэффициента пропорциональности между глубинами резания на выполняемых проходах (кпр = и соответствующих этому коэффициенту оптимальных технологических условий анализируемого процесса обработки, при которых достигается экстремальное значение заданного критерия оптимизации.

Указанная задача решена в двух вариантах:

— при использовании на обоих проходах одного инструмента;

— при использовании на проходах разных режущих инструментов.

Отличительной особенностью разработанной автоматизированной системы ОРПМШТОК является и то, что при оптимизации технологических условий процесса точения для каждого анализируемого сочетания этих условий просчитывается величина нарастающего износа режущего инструмента вдоль обрабатываемого участка первой, а также всех последующих заготовок (которые должны быть обработаны за период стойкости инструмента) и определяются соответствующие этому износу выходные характеристики токарной обработки.

Результаты данных вычислений сопоставляются с накладываемыми ограничениями, что позволяет определить наиболее рациональные технологические условия токарной обработки, обеспечивающие экстремальное значение заданного критерия оптимизации при обработке требуемого количества заготовок за период стойкости инструмента и безусловном выполнении есе, х других технических ограничений.

Как свидетельствуют производственные испытания, проведенные на различных машиностроительных предприятиях Ярославского и Московского регионов, автоматизированная система ОРТШЗАТОН позволяет повысить технико-экономическую эффективность и рентабельность токарной обработки материалов без дополнительных трудовых и материальных затрат, сократить трудоемкость проектных работ и сроки освоения производства новой продукции и модернизации существующей, уменьшить время выполнения токарной обработки (за счет повышения производительности этой обработки, объединения проходов и других мероприятий), обеспечить заданную точность обработки и требуемое качество изготовляемой продукции, уменьшить расход инструмента и затраты на его эксплуатацию, а также сократить производственный брак наиболее простым в практической реализации способом — путем научно обоснованной структурно-параметрической оптимизации технологических условий обработки.

Учитывая вышеизложенное, можно констатировать, что на основе экспериментального изучения и теоретического анализа физико-механических и теплофизических явлений, сопровождающих процесс резания, произведено научно обоснованное математическое моделирование токарной обработки материалов, используя которое разработаны общие принципы создания и достоверное математическое обеспечение автоматизированных систем, предназначенных для комплексной и научно обоснованной щтрутурно-параметрической оптимизации технологических условий процесса точения на стадии технологической подготовки производства.

Совокупность выдвигаемых теоретических положений и предлагаемых решений данной актуальной проблемы можно квалифицировать как крупное достижение в развитии перспективного научного направления — повышение технико-экономической эффективности операций механообработки деталей машин путем комплексного научно обоснованного выбора наиболее рациональных условий осуществления этих операций.

Результаты проведенных исследований могут служить методологической основой для научно обоснованного прогнозирования выходных характеристик и комплексной структурно-параметрической опти-I мизации технологических условий не только токарной, но и других видов лезвийной обработки материалов, в том числе многоинструментальной (выполняемой на станках-автоматах}.

Кроме того, эти исследования могут быть использованы в разрабатываемых САПР ТП для более обоснованного сопоставления технико-экономической эффективности различных технологических операций и их комбинаций с целью разработки наиболее оптимального маршрута выполнения проектируемого техпроцесса.