книги / Надежность и диагностика технологических систем

технологию, при формировании которой всю поверхность заго­ товки представляют в виде основных и дополнительных поверх­ ностей. Основные поверхности — цилиндрические и конические с криволинейными образующими. Дополнительные поверхности — резьбовые, канавки на внутренних и наружных поверхностях. Маршрут обработки следующий: черновая и чистовая обработка основных поверхностей, затем обработка дополнительных (не­ основных) поверхностей.

Надежность разрабатываемого ТП можно повысить, исполь­ зуя современные автоматизированные системы проектирования и управления (САПР, САП, АСТПП, АСУТП, АСНИ, САК, АСД), за счет выбора оптимальных структур, параметров, схем и прин­ ципов управления.

Обеспечение технологичности деталей, изготавливаемых в ус­ ловиях автоматизированного производства, приобретает особую актуальность. Технологичность во многом определяет эффектив­ ность, надежность, производительность и безопасность на всех стадиях изготовления деталей и выполнения ТП (операции за­ грузки-разгрузки, установки, зажима, транспортирования, кон­ троля, обработки). Конструкция детали считается технологичной, если при ее изготовлении и эксплуатации затраты материала, времени и средств минимальны. Оценка технологичности про­ водится на качественном и количественном уровнях с расчетом на технологичность по ГОСТ 14.201-83.

Существуют разные способы повышения технологичности: оп­ ределение рационального количества и размеров ребер жесткости; расположение обрабатываемых отверстий на одном уровне; исклю­ чение отверстий или поверхностей, расположенных наклонно; исключение концентраторов напряжений; уменьшение вылета фрезы при фрезеровании, а осевого инструмента при обработке отверстий; расположение шпоночных пазов с одной стороны де­ тали и др.

При разработке и выполнении ТП следует соблюдать принцип совмещения и постоянства баз (конструкторских, технологиче­ ских, измерительных). Например, после фрезерно-центроваль­ ной операции базами являются торцы заготовок.

Обеспечение надежности на стадии изготовления деталей на станках с ЧПУ. Станки с ЧПУ и процесс формирования точности обработки имеют ряд специфических особенностей по сравне­ нию с универсальными станками, что требует новых подходов

244 6. Надежность, производительность и эффективность ТС

Поле рассеивания принимается ±3а. Погрешности носят слу­ чайный характер и имеют рассеивание относительно средних значений. Среднее арифметическое отклонение Д характеризует систематическую составляющую погрешности, а среднее квадра­ тическое отклонение а — случайную.

Знаки «плюс-минус» указывают направление действия по­ грешностей. При «плюсе» размер детали увеличивается, при «минусе» — уменьшается. В зависимости от величины и на­ правления действия погрешностей вершина резца может выхо­ дить за поле допуска 5 во всем его диапазоне как в (+Ai), так и в (-A i) — неисправимый брак.

На практике, как правило, используют два метода коррек­ ции размеров: по результатам измерения отдельных параметров точности станка, по результатам измерения изготовляемых де­ талей. Однако оба метода не позволяют автоматически управлять точностью по ряду причин: заранее неизвестна общая погреш­ ность станка и запас точности; требуются периодические остановы станка для измерения деталей, обработка статистических данных, постоянное участие человека; нельзя заранее предусмотреть вели­ чину и время введения коррекции.

Для управления точностью обработки в автоматическом ре­ жиме можно использовать модель, представленную на рис. 6.8. На базе данной модели, используя графоаналитический метод, можно рассчитать точность обработки и учитывать это еще на стадии подготовки УП. Графоаналитический метод позволяет: рассчитывать общую погрешность станка с ЧПУ и запас точности при заданном допуске и тем самым определять разрешающую способность конкретной ТС; делать предварительный графоана­ литический расчет траектории инструмента при обработке для конкретного станка; прогнозировать характер точечной диа­ граммы рассеивания размеров и точность процесса обработки; определять направление смещения настройки и величину рас­ сеивания; определять время автоматической смены инструмента

ивведения коррекции (не допустить отказа по точности и брак). Возможны два варианта, лимитирующих точность обработки (численные значения погрешностей приняты усредненными

иравными 5 мкм; см. рис. 6.8).

Ва р и а н т I. Все погрешности имеют направление «от дета­ ли» (т.е. в «плюс»). Действительная траектория движения резца

отличается от запрограммированной (центр допуска 6) из-за по­ грешностей Дн, Дп, Д3>Дг, Ду, Дт и смещается в точку 3. Остается запас (резерв) по точности на износ резца 8Т = 20 мкм. Время на­ ступления отказа будет зависеть от интенсивности износа резца U\, U2i •••»Un. Коррекция вводится в направлении «минус» в пе­ риод Тп и < Тпр, когда вершина резца из-за износа входит в зону

В а р и а н т И. Все погрешности имеют направление «к детали» (т.е. в «минус»). Из-за погрешностей (—Дн; -Д п; -Д 3; -Д г; -Д у; -Дт) резец смещается в точку 3'. При резании погрешность из-за из­ носа резца направлена в «плюс» (из точки 3' в точку 4') и ком­ пенсирует действие вышеуказанных «минусовых» погрешностей. Причем при обработке последующих заготовок увеличение из­ носа резца будет увеличивать диапазон и возможности компен­ сации. При этом резерв (-8Т= 20 мкм) может приблизиться к 8 = = 100 мкм, т.е. до точки 4. Такой большой диапазон позволит вводить коррекцию положения резца, находить оптимальную зону для его траектории и тем самым повышать точность, надежность, стабильность и производительность процесса обработки. Кроме того, можно максимально использовать и ресурс работоспособ­ ности резцов, доводя износ по задней грани до предельно допус­ тимой величины, тем самым сокращая количество остановов для замены износившихся инструментов. При подготовке УП можно также заранее предусмотреть количество подналадок и автома­ тический ввод коррекции, т.е. управлять точностью обработки без вмешательства человека и останова станка.

Специальные способы повышения точности, надежности и производительности технологических процессов. Проблему повышения точности, надежности и безопасности ТП можно ре­ шать по нескольким направлениям:

1) оптимизация режимов резания и применение адаптивных систем;

2)выбор способа ориентации заготовки на станке;

3)компенсация доминирующих погрешностей;

4)автоматическое управление точностью;

5)расчет ожидаемой погрешности и прогнозирование точно­ сти обработки;

6) интерактивный режим моделирования на ЭВМ процессов обработки заготовок.

Повышение надежности и производительности станков с ЧПУ путем оптимизации режимов резания. Резание металлов явля­ ется основой всех процессов механической обработки. Правильно спроектировать ТП обработки, обеспечить высокий уровень на­ дежности, производительность, качество обработки и эффектив­ ность можно только в том случае, если известны закономерности процесса резания.

Режимом резания называют глубину резания, подачу и ско­ рость резания. Объем металла G, снимаемый в единицу времени с поверхности заготовки, мм/мин:

где t — глубина резания, мм; S — подача, мм/об; V — скорость резания, м/мин.

Режимы резания определяют энергетические затраты на об­ работку. Произведение первых двух сомножителей в формуле (6.27) — это площадь сечения среза, которая определяет силу Р2 и мощность резания iVp, кВт:

Расчет мощности резания позволяет правильно определить и обосновать мощность главного привода станка и прочность всей станочной системы.

Режимы резания определяют интенсивность изнашивания инструмента и, следовательно, его стойкость — период времени работы инструмента между переточками. Увеличение режимов приводит к повышению температуры резания и интенсивности изнашивания инструмента, снижению стойкости и увеличению числа переточек, а это, в свою очередь,— к увеличению простоев станка. Таким образом, интенсификация режимов неоднозначно влияет на производительность обработки Q (см. рис^ 6.1).

Надежность и производительность процесса обработки преж­ де всего зависят от стойкости инструмента. Глубина резания t меньше всего влияет на стойкость, так как при этом увеличива­ ется рабочая длина режущей кромки и выделяемая теплота рас­ пределяется на увеличенный объем материала резца. Поэтому

температура резания и интенсивность изнашивания возрастают незначительно.

Больше всего на стойкость влияет скорость резания V. С ее увеличением пропорционально увеличивается количество тепла, а площадь контакта с резцом при этом или не изменяется, или же снижается, поскольку уменьшается усадка стружки. Увеличение скорости, как правило, сопровождается значительным повыше­ нием температуры резания и изнашиванием инструмента.

С учетом сказанного рекомендуется следующая последователь­ ность выбора режимов резания. Сначала выбирают глубину реза­ ния t (в зависимости от припуска на обработку). При черновой обработке подачу S выбирают в зависимости от допустимого зна­ чения силы резания и мощности привода главного движения, прочности и виброустойчивости ТС, а при чистовой обработке — в зависимости от шероховатости обрабатываемой поверхности. Скорость резания V выбирают в зависимости от экономической стойкости инструмента Т™.

Параметры t и S назначают максимальными с учетом опреде­ ленных ограничений, а скорость резания выбирают затем такой, чтобы обеспечить экономическую стойкость инструмента.

Выбор режимов резания имеет особо важное значение для станков с ЧПУ, работающих в условиях ГАП. Около 50 % оши­ бок при программировании обработки для станков с ЧПУ связа­ но с неправильным назначением режимов резания.

Надежность, стабильность и производительность ТП в усло­ виях ГАП можно значительно повысить за счет применения оптимальных режимов обработки, т.е. создания благоприятных условий для работы ТО и его элементов (станков с ЧПУ, приспо­ соблений, режущего и вспомогательного инструмента).

Для параметрической оптимизации необходима разработка математических моделей (ММ), адекватных исследуемым про­ цессам. Модели содержат комплекс взаимосвязанных матема­ тических выражений, ограничений на отдельные параметры и условия, а также соотношения между ними.

При оптимизации режимов резания целесообразно использо­ вать метод линейного программирования, который имеет ряд преимуществ и особенностей:

1)линейность целевой функции;

2)линейность функции ограничений;

3)отсутствие дискретности;

4)требование неотрицательности.

При оптимизации ТП и режимов резания строят ММ. При создании ММ выделяют технические ограничения, которые в наи­ большей степени определяют описываемый процесс, и оценочную (целевую) функцию (критерий оптимальности).

Выбор тех или иных технических ограничений зависит от вида и условий обработки. В качестве технических ограничений можно использовать (назначать) параметры: точность обработки; шерохо­ ватость обработанной поверхности; мощность электродвигателя привода главного движения; прочность и жесткость режущего инструмента; наибольшую и наименьшую скорости резания и по­ дачу; глубину резания; стойкость режущего инструмента.

В качестве целевой (или оценочной) функции F можно вы­

Технические ограничения по стойкости инструмента при об­ тачивании можно получить из выражений для скорости реза­ ния:

где D — диаметр заготовки, мм; п — частота вращения шпинде­ ля, с"1; Су— коэффициент, характеризующий условия обработки; Ку — общий поправочный коэффициент; Т — период стойкости; t — глубина резания, мм; S — подача, мм/об; тп, х ,у — показа­ тели степени соответственно при Т, i, S.

Приравняв скорости резания в формулах (6.30) и (6.31) и вы­ делив параметры оптимизации (nS) в левую часть, получим:

С целью применения методов линейного программирования при оптимизации режимов резания оценочную функцию и тех­ нические ограничения требуется привести к линейному виду. Это достигается путем логарифмирования выражения (6.32):

Для упрощения дальнейших преобразований введем ряд обо­ значений:

Lnn = X,; LnlOOS= Х2; о =LidOO?8180^ .

* DTmtx

Чтобы не допустить появления отрицательных значений лога­ рифмов в обозначении Х 2, подача S умножена на 100. С учетом принятых обозначений формула (6.33) примет вид:

Получили техническое ограничение в линейном виде. После

Для построения ММ процесса резания все технические ограни­ чения совместно с оценочной функцией приводятся к линейному виду и представляются в виде системы неравенств. Нахождение оптимальных режимов резания по полученной модели может осуществляться графическими или аналитическими методами.

Пример 6.1. Разработать математическую модель и определить гра­ фическим методом оптимальные режимы резания при обтачивании сту­ пенчатых валов, если диаметр заготовки 100 мм, длина заготовки 600 мм, материал сталь 40Х, глубина резания t = 3 мм, требуемая шерохова­ тость Rz= 40 мкм, станок токарный с ЧПУ модели 16К20Т1, резец про­ ходной, размер державки резца: вылет резца 1>в.р = 50 мм; В - 12 мм; Н = 16 мм, материал режущей части резца — пластина Т15К6.

Решение.

С учетом технологических возможностей станка, характеристик режущего инструмента и условий обработки находим доминирующие ограничения для построения ММ.

250 6. Надежность, производительность и эффективность ТС

Ограничение 1. Наименьшая допустимая скорость резания, опреде­ ляемая кинематикой станка.

Для частоты вращения шпинделя станка п это ограничение имеет вид n>n„in. Для станка с ЧПУ модели 16К20Т1 минимальные обороты nZп=12,5 мин-1. Тогда Хг >в3, где в3 >(Lnl2,5=2,52).

Ограничение 2. Наибольшая допустимая скорость резания, определяе­ мая кинематикой станка. Для частоты вращения шпинделя станка это ограничение имеет вид п <гс”ах. Для станка 16К20Т1 п£ах=2000 мин-1. Тогда Хх<в4, где в4 = Ln 2000 = 7,6.

Ограничение 3. Ограничение на период стойкости инструмента. Режу­ щие возможности инструмента определяются периодом стойкости. Согласно зависимости (6.32), находим значения периода стойкости инструмента икоэффициентов, входящих в уравнение для скорости резания: Т = 60 мин; Су=350; X v= 0,15; z/K=0,35; m= 0,2; Kv=Km•Кп•Кф*Кг•Кд К0 = 1,44.

Подставляя найденные значения в формулу (6.32), получим:

Приведем неравенство (6.37) к линейному виду логарифмировани­

где 1лш=Xi; Ln(100S)=Х 2; Вх= Ln(613,95 •5,01) = Ln(3077) = 8,03.

Ограничение 4. Мощность электродвигателя привода главного движе­ ния станка. Это ограничение выражается условием < N4, где N — мощность электродвигателя главного привода станка, КВт; Т|— КПД кинематической цепи от электродвигателя к инструменту.

Эффективная мощность, затрачиваемая на процесс резания,

Подставляя в выражение (6.42) значение составляющей силы реза­ ния Р2, получим неравенство для второго технического ограничения:

Cp-tx Dn+1-un+1Kp