Оптимизация технологических процессов механической обработки

эффективного применения ССП на различ­ ных по степени универсальности станках: 1 — универсальные, 2 — ав­

томаты и полуавтоматы, 3 — специализированные, 4 — специальные. В блоке 6 выполняется сравнение габаритных размеров обрабатывае­ мой детали с предельно возможными их значениями' дл!я различных ССП на данной операции. При машинной реализации блоков 4—6

используются матричные формы представления массивов информации, соответствующие элементы которых заполняются нулями, если дан­ ная ССП не удовлетворяет условиям, и единицами, если условия удовлетворяются.

В блоке 7 выполняется окончательный выбор ССП, удовлетворяю­ щий всем, заданным на входе в программу, условиям. Здесь же про­ исходит расшифровка выбранных ССП. В блоке 8 в зависимости от периода изготовления детали и коэффициента загрузки по матрице затрат определяются величина относительных затрат и цикл оснаще­ ния. Для оценки рациональности выбранной ССП введен безразмер­ ный показатель эффективности

Значения V±и V2 рассчитываются в отношении к затратам и времени оснащения НСП. Чем меньше величина £, тем более рациональным является применение данной ССП. Список допустимых ССП выводит­ ся на печать в порядке убывания по рациональности применения с

Среди методов повышения износостойкости узлов трения машин и инструментов особое место занимает управление этим эксплуатацион­ ным свойством на стадии конструирования и ТПП. Возможность заранее прогнозировать определенную величину износостойкости при задании характеристик качества поверхностного слоя, обеспечиваемых оптимальными методами обработки, позволяет повысить надежность выпускаемых машин и снизить себестоимость их изготовления. Од­ нако решение этой проблемы во многом затруднено в настоящее время по следующим причинам: сложность математических моделей, связы­ вающих показатели износостойкости с характеристиками качества поверхности и технологическими условиями обработки, различие под­ ходов к описанию физики процессов износа, разрозненность и противо­ речивость сведений по обеспечению износостойкости, многовариант­ ность при выборе решений, использование различных критериев при выборе условий износа, материалов, характеристик качества поверх­ ности, методов обработки и др. Учитывая это, первоочередной задачей в условиях конструкторско-технологического обеспечения износо­ стойкости деталей должна стать систематизация данных (информации) о математических моделях процессов износа и построения на их ос­ нове современных методов проектирования с использованием вычис­ лительной техники.

В настоящее время ЭВМ находят широкое применение при иссле­ довании процессов износа в АСНИ для получения математических моделей, связывающих параметры износостойкости с характеристи­ ками качества поверхности деталей и технологическими , режимами

процессов их обработки. Известны случаи применения ЭВМ для вы­ полнения наиболее трудоемких расчетов, связанных с определением контактной жесткости и ряда других параметров, характеризующих износостойкость. Однако в целом следует отметить недостаточное ис­ пользование вычислительной техники для управления износостой­ костью деталей при выполнении проектно-конструкторских работ. Это во многом снижает роль конструктора и технолога при решении задачи обеспечения износостойкости деталей машин.

Появление в последние годы мини-, микроЭВМ и особенно персо­ нальных ЭВМ, характеризуемых значительным повышением оператив­ ной памяти, быстродействия, надежности работы, наличием в них современных периферийных средств (дисплеев, графопостроителей, на­ копителей на гибких магнитных дисках и др.) и одновременным сни­ жением их стоимости, открывает большие возможности их применения в различных областях инженерной практики. Одной из существующих особенностей современных ЭВМ является реализация на них диалого­ вых режимов проектирования. В этих случаях один инженер-проекти­ ровщик может решать как конструкторские, так и технологические задачи. Применительно к такому подходу разработана система автома­ тизации проектно-конструкторских работ по обеспечению износостой­ кости деталей машин. Эта система занимает по своему функциональ­ ному назначению промежуточное место между АСНИ, САПР констру­ ирования деталей машин и САПР ТП. На основе АСНИ в системе формируется математическое и информационное обеспечение. В свою очередь, рассматриваемая система формирует промежуточную инфор­ мацию для САПР-К и САПР ТП.

Система автоматизации проектно-конструкторских работ по обес­ печению износостойкости деталей состоит из трех основных подсистем: «Эксплуатация», «Конструирование» и «Технология» (рис. 22). Две по­ следние подсистемы непосредственно связаны с САПР-К и САПР ТП и могут при необходимости входить в их состав. При функционирова­ нии названных подсистем используются информационные массивы, хранящиеся в банке данных. Сюда входят данные об условиях изно­ са, различные математические модели, характеристики материалов, возможные их сочетания в парах трения, сведения о технологических методах их обработки и др.

В качестве исходных данных в системе используются предвари­ тельно назначенные размеры сопрягаемых деталей и их рабочих по­ верхностей. Эти сведения могут быть получены при конструировании без ЭВМ или при использовании САПР-К. Кроме того, задается срок службы и (или) допустимая величина рабочего зазора.

После ввода данных выполняется проектирование с использовани­ ем подсистемы «эксплуатация» — блоки 2, 3. С помощью программно­ го обеспечения выбираются из массива в банке данных условия изно­ са: скорость vy давление р и вид смазки. Эта информация в отдельных случаях может быть введена в качестве исходной. Для определения конструкторско-технологических параметров трущихся поверхностей необходимо процесс износа регламентировать определенными пока­ зателями. Как отмечается в многочисленных исследованиях, наиболее

цолно рассматриваемый процесс характеризуют: допустимая величина цзиоса в период приработки и интенсивность износа в период устано­ вившегося износа. Допустимые величины этих показателей определя­ ются на основе анализа исходных данных (блок 5). В тех случаях, ког­ да для требуемых условий эксплуатации проектируемого изделия в банке данных не находится рекомендаций по выбору значений v, р и вида смазки, разрабатывается техническое задание на проведение ис­

стью трущихся материалов. Так, при отдельных сочетаниях материа­ лов возникает схватывание, приводящее к нарушению нормальных условий износа. После выбора материалов для первой пары трущихся де­ талей проводится их проверочный расчет на. прочность. Если это ус­ ловие удовлетворяется, то выбранная пара запоминается и подбира­ ется следующая. В блоке 10 проводится выбор оптимального сочетания материалов сопрягаемых деталей. В качестве критериев в этом случае применяются: стоимость материалов, коэффициент трения и их обра­ батываемость. В отдельных случаях для определения условий эксплу­ атации может быть не найдено сочетание известных материалов или не­ экономично их использование (это условие проверяется в блоке 11). В этом случае могут быть выбраны материалы с нанесением покрытий на рабочие поверхности. Целесообразность применения таких деталей также проверяется в блоках 9 и 10.

Далее для ранее установленных условий износа и материала тру­ щейся пары выбираются (блок 13) определенный вид износа и его мо­ дель. В блоке 14 на основе использования математических моделей связей износостойкости с характеристиками качества поверхности вы­ бираются диапазоны их значений. Для проверки приемлемости вы­ бранных конструктивных характеристик деталей рассчитываются тео. ретические значения показателей износостойкости деталей (блок /5)- В случае значительного отличия теоретического значения показате­ лей износостойкости от заданных возможна корректировка установ- ,ленных конструктивных характеристик детали, в том числе габарит­ ных размеров рабочих поверхностей. Завершающим блоком 16 подси­ стемы «Конструирование» является оператор вывода полученной информации на печать. На этом этапе при работе в условиях комплекс-

,ных САПР информация передается в САПР-К.

Вподсистеме «Технология» (см. рис. 22) первоначально выбирает­ ся оптимальный метод получения заготовки (блок 17). Следует иметь в виду, что способ получения заготовки определяет не только физико­ механические свойства детали, но п ТП их изготовления. Критерием оптимальности в этом случае является себестоимость получения за­ готовки. Блок 18 формирует возможные элементарные маршруты об­

работки сопрягаемых поверхностей. Для каждой рабочей поверхности

..система представляет несколько маршрутов. Выбор оптимального про­ водится на основе параметрической и структурной оптимизации. Пер­ вый вид оптимизации (блок 19) затрагивает определение оптимальных

Эксплуат ации

Конструиродание

Технология

режимов обработки на финишной операции, главным образом фор­ мирующей окончательное качество рабочей поверхности. Для преды­ дущих операций и в целом для всего элементарного маршрута про­ водится структурная оптимизация (блок 20). В качестве критерия в рассмотренных случаях использовалась минимальная себестоимость обработки. В тех случаях, когда для выбранных материалов не отыс­ кивается оптимальный элементарный маршрут обработки рабочих по­ верхностей, возможно применение программ синтеза новых методов обработки, основанных на известных методах поискового конструиро­ вания (блок 22) [5].

Для комплексной оценки обеспечения износостойкости деталей ма­ шин необходимо определять суммарные затраты на изготовление и эксплуатацию изделия. Если рассматриваемая поверхность не явля­ ется лимитирующей по сроку эксплуатации детали или изделия в це­ лом, то необходимо обеспечивать ее срок службы, не превышающий срок для лимитирующих деталей в узле. В этом случае, очевидно, представляется возможным сократить стоимость детали за счет при­ менения менее дорогих материалов и ТП ее изготовления. Такой ин­ тегральный подход к оценке затрат при изготовлении и эксплуатации выполняется в блоке 23. После окончательной оценки разработанных вариантов обработки рабочих поверхностей (блок 24) выбирается луч­ ший, и вся информация о конструктивных характеристиках и техноло­ гии изготовления выводится на печать. Одновременно на этом этапе вся полученная информация передается в САПР ТП для проектирова­ ния операционных ТП изготовления сопрягаемых деталей и изделия в целом.

ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

1. Выбор параметров оптимизируемых процессов обработки

В условиях многоуровневого выбора решений на различных эта­ пах проектирования ТП первоначально решается вопрос структурной оптимизации. После выбора определенной структуры маршрута обра-. ботки, операции, позиции, перехода или различных видов техноло­ гической оснастки должна ставиться задача их параметрической оптимизации. Однако это в большинстве случаев не делается из-за отсутствия математических моделей, связывающих эти структурные со­ ставляющие ТП с некоторой группой параметров, определяющих тех­ нико-экономические показатели этих процессов.

Параметрическая оптимизация обычно выполняется после выбора структуры перехода и выражается главным образом в определении оп­ тимальных режимов резания (скорости и, подачи s и глубины резания t) с позиций некоторого критерия [13, 20, 24, 32, 43, 58J. К параметри­ ческой оптимизации могут быть также отнесены: расчеты по выбору оптимальной геометрии режущего инструмента (резцов, сверл, фрез

ит. д.); расчеты по выбору точностных, силовых и прочностных пара­ метров станочных приспособлений; расчеты по выбору физико-меха­ нических свойств режущих инструментов; расчеты по определению оп­ тимальных значений припусков и допусков на выполняемые размеры.

Основная задача, которую решают при параметрической оптими­ зации ТП, это расчет режимов обработки, при которых обеспечивается требуемое качество изделия при минимальных затратах общественного труда. Режимы обработки оказывают основное влияние на стоимость

ипроизводительность выполняемой операции, так как от них зависит в первую очередь штучное время, а значит, и доля себестоимости, про­ порциональная времени. В значительной степени режимы обработки определяют точность и качество обработанных поверхностей.

При оптимизации процессов обработки в машиностроении рассмат­ риваются методы, которые характеризуются различными управляе­ мыми параметрами, часть из которых выступает в роли оптимизируе­ мых режимов обработки. Число управляемых переменных зависит от

методов обработки и может быть различным.

При оптимизации наиболее распространенных процессов механиче­ ской обработки (точение, сверление, фрезерование и др.) под режимами обработки понимается совокупность глубины резания t, подачи s, ско­ рости ц, называемых элементами режимов резания. Эти управляемые переменные обеспечивают при минимальной себестоимости максималь-

ио возможную для данной себестоимости производительность процес­ са обработки.

Для других методов характерно использование в качестве управ­ ляемых переменных других элементов режимов обработки. Например, при полировании цилиндрических поверхностей алмазными эластич­ ными лентами основными управляемыми технологическими факторами является давление ленты на обрабатываемую поверхность р , скорость v и подача s, а при электрохимическом полировании основным факто­ ром, определяющим процесс обработки, является плотность тока и т. д.

Степень влияния отдельных управляемых переменных на основные показатели оптимизируемого процесса различна, поэтому необходимо при выборе и построении критериев оптимальности учитывать наибо­ лее значимые режимы обработки. Рассмотрим для примера влияние глубины резания /, подачи s и скорости и на повышение производитель­ ности обработки при наружном точении. Для сравнения влияния глу­ бины резания и подачи на производительность процесса примем за основу постоянство площади срезаемого слоя, равной ts. Исследуем два режима резания: первый — sx = s, tx = /, второй — s2 = 2s, t2 = —■t/2. Площадь сечения, очевидно, для обоих режимов постоянна и равна ts.

Если обработка точением ведется за один проход, то основное тех­ нологическое время t0 = L/ns, где L — длина рабочего хода. Для пер­

Скорость резания для первого и второго вариантов можно определить по известным зависимостям

Сравнение зависимостей vl и v2 показывает, что они отличаются на

изводительным является первый режим обработки и поэтому целесооб­ разнее увеличивать глубину обработки /, чем подачу s.

Как отмечается в работе [101, имеет определенное значение целесо­ образность выбора, в первую очередь, подачи или скорости резания. Для этого рассмотрим влияние этих режимов обработки на произво­ дительность процесса, которую будем характеризовать количеством заготовок, обрабатываемых за период стойкости инструмента Т. Без