автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Прогнозирование качества обработки изделий точением на основе имитационного моделирования технологической системы с маложесткими элементами

0 0

V

На правах рукописи

Могендович Максим Романович

УДК 621.941.015.004.58

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ТОЧЕНИЕМ НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С МАЛОЖЕСТКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор,

Д.В. Васильков

Санкт-Петербург 1999

Л

шуб I

IШ /

/и

Г)

/

> I

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение......................................................................................... 4

1. Состояние проблемы. Цель и задачи исследования.............. 9

1.1. Возможности по управлению механической обработкой заготовок на современных металлорежущих станках................................ 9

1.2. Современные подходы к решению задач управления обработкой с учетом статических и динамических характеристик технологической системы............................................................................... 14

1.3. Современные достижения по обеспечению стабильности качества изделий при обработке резанием............................:.............. 21

1.4. Цель и задачи исследования............................................... 30

2. Разработка динамических моделей технологической системы для решения задач прогнозирования качества обработки изделий . 32

2.1. Обоснование выбора динамических моделей технологической системы...................................................................................... 32

2.2. Уточненная динамическая модель технологической системы и ее упрощенные аналоги.................................................................... 35

2.3. Исследование устойчивости в пространстве параметров технологической системы механической обработки............................... 59

2.4. Синтез микрогеометрии обработанной поверхности на основе динамического моделирования технологической системы.......... 66

Результаты и выводы по главе.................................................. 73

3. Экспериментальные исследования по прогнозированию качества обработки изделий на основе динамических критериев........... 76

3.1. Измерительно-вычислительный комплекс для проведения экспериментальных исследований...................................................... 76

3.2. Экспериментальное и расчетное исследование устойчивости процесса резания................................................................................. 89

3.3. Диагностика динамических характеристик технологической системы по данным микрогеометрии обработанной поверхности .... 99

Результаты и выводы по главе............................................... 105

4. Прогнозирование качества обработки изделий на основе динамического моделирования............................................................. 107

4.1. Оптимизация обработки изделий точением (общие положения)............................................................................................. 107

4.2. Программный комплекс прогнозирования и диагностики качества обрабатываемых изделий...................................................... 119

4.3. Подсистема синтеза микрогеометрии обработанной поверхности ................................................................................................... 130

4.4. Подсистема диагностики динамических характеристик технологической системы по данным микрогеометрии поверхности ... 134

Результаты и выводы по главе................................................ 139

Заключение................................................................................. 141

Список литературы..................................................................... 145

Приложения................................................................................ 156

Приложение 1. Программный комплекс математической

обработки микрогеометрии поверхности...... 157

Приложение 2. Программный комплекс спектральной

обработки измерительных сигналов............. 193

Приложение 3. Внедрение результатов исследований

в промышленности.....................................201

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в машиностроении можно выделить достаточно широкий представительный класс изделий, проектирование механической обработки которых требует особого подхода при решении задач повышения производительности и обеспечения качества. Это, прежде всего, ответственные крупногабаритные изделия энергетических машин. К их числу относятся роторы паровых, газовых турбин и компрессоров, корпуса цилиндров турбин и статоров электрических машин, изделия узлов регулирования турбин и др.

Специфика обработки точением и растачиванием таких изделий связана с их высокой деформативностью в технологической системе, изменением упруго-инерционных характеристик в процессе съема припуска. Указанные выше изделия обычно изготавливаются в единичных экземплярах или малыми сериями. При этом финишная обработка является, как правило, лезвийной.

Уникальность и высокая стоимость изделий в сочетании с высокими требованиями к надежности делают методы высокопроизводительной механической обработки с гарантированным получением требуемого качества актуальной проблемой машиностроения. Значимость решения указанной проблемы привела к необходимости проведения работ в рамках ряда отраслевых научно-технических программ: "Гибкие автоматизированные производства", МНТК "Надежность машин" и др.

Объект исследования. Решается важная народнохозяйственная задача повышения эффективности механической обработки заготовок деталей ответственного назначения в технологических системах с маложесткими элементами, к которым предъявляются высокие требова-

ния по качеству изготовления при условии минимизации затрат машинного времени на обработку.

Цель исследования. Целью работы является повышение эффективности при обработке точением изделий выбранного класса на основе имитационного моделирования в процессе резания и прогнозирования их динамических качеств.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать динамические модели технологической системы с маложесткими элементами в ограниченном частотном диапазоне обработки;

- разработать методы построения границ областей устойчивости указанной системы при широком варьировании параметров обработки;

- разработать методы направленного формирования свойств поверхностного слоя обрабатываемых изделий;

- выполнить комплекс экспериментальных исследований для подтверждения адекватности разработанных динамических моделей и выбора начальных и граничных условий;

- осуществить выбор рациональных условий обработки на основе моделирования процесса резания с учетом особенностей динамических характеристик рассматриваемой технологической системы;

- разработать научно обоснованные технологические рекомендации для промышленности и апробировать в производственных условиях результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований.

Методика исследования. Методика исследования включает:

- разработку динамических моделей технологических систем с маложесткими элементами при механической обработке изделий лез-

вийным инструментом качестве основы для проведения комплекса исследований;

- использование современных аналитических и численно-аналитических методов при анализе динамических процессов, в том числе метода конечных элементов, методов прикладной теории колебаний, теории упругости, теории автоматического управления;

- последовательное применение эффективных методов проведения инженерного эксперимента, использование современных способов статистической обработки экспериментальных данных, а также их интерпретации, построение обоснованных технических выводов;

- широкое использование ЭВМ и методов цифрового имитационного моделирования при решении поставленных задач оптимизационного проектирования.

Достоверность полученных результатов исследования и предложенных рекомендаций. Достоверность полученных результатов соответствующих разработок базируется:

- на корректном использовании при проведении исследований соответствующих методов прикладной теории колебаний, теории автоматического управления, теории резания при постановке и решении совокупности задач динамики технологической системы механической обработки маложестких заготовок;

- на результатах представительных экспериментов, достаточно хорошо согласующихся с данными численных расчетов на основе разработанных методов, подтверждающих правомерность исходных допущений и пригодность используемых динамических моделей технологических систем при механической обработке заготовок;

- на успешной апробации предложенных рекомендаций в промышленности.

Научная новизна. Научная новизна полученных в работе резуль-

татов заключается в следующем:

- разработана совокупность динамических, оптимизированных по структуре, моделей технологической системы с маложесткими элементами в качестве основы для проведения исследований в заданном ограниченном частотном диапазоне;

- разработаны эффективные методы построения границ областей устойчивости указанной системы при широком варьировании параметров обработки;

- предложены методики получения характеристик качества обрабатываемого изделия на основе имитационного динамического моделирования и идентификации параметров технологической системы;

Практическая ценность выполненных разработок. Практическая ценность результатов, полученных в диссертации, заключается в:

- разработке на основе спектрального подхода методов приведения многомерных дискретных моделей технологической системы к совокупности эквивалентных моделей малой размерности, которые позволяют реализовать эффективные алгоритмы определения рациональных режимов обработки маложестких сложнопрофильных заготовок в производственных условиях;

- получении зависимостей, связывающих вибрационные характеристики технологической системы с маложесткими элементами и состояние поверхностного слоя изделия при лезвийной механической обработке;

- разработке программного комплекса оптимизационного проектирования механической обработки, позволяющего решать задачи повышения эффективности и стабильности качества изделий с целью рационального использования и расширения технологических возможностей станков с ЧПУ.

Реализация в промышленности. Программный комплекс оптими-

зационного проектирования обработки заготовок изделий получил практическое применение в энергетическом машиностроении. Он апробирован в условиях индивидуального и мелкосерийного производства на ряде предприятий СПб (АО «Электросила», АО «ЛМЗ»).

Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, фрагментарно докладывались в интервале 1988-1999 г.г. на ряде научно-технических конференций, совещаний и семинаров в г.г. Челябинске, Нижнем Новгороде, Луцке, Одессе, а также в Санкт-Петербургском институте машиностроения, отделении "Машиностроение и инженерная механика" Российской Инженерной академии.

Публикации по теме диссертации. Основные результаты, полученные в диссертации при выполнении комплекса исследований, опубликованы в 11 научных статьях в периодической научно-технической печати, в межвузовских тематических научных сборниках трудов, в трудах конференций.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. ВОЗМОЖНОСТИ ПО УПРАВЛЕНИЮ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ ЗАГОТОВОК НА СОВРЕМЕННЫХ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКАХ

При обработке резанием ответственных изделий энергетических машин в настоящее время применяется технологическое оборудование - токарные, фрезерные, расточные, многоцелевые станки, как правило, с числовым программным управлением. Зто связано с тем, что данные изделия имеют сложную пространственную форму и изготавливаются, как правило, в рамках индивидуального и мелкосерийного производства. Однако при обработке крупногабаритных заготовок таких изделий, как статоры и роторы мощных электрических машин, детали узлов регулирования гидротурбин, корпуса цилиндров высокого, среднего и низкого давления паровых турбин и др., ограничены возможности по управлению рабочей подачей, скоростью резания и положением режущего инструмента. Также увеличен технологический цикл в связи с необходимостью при варьировании выполнения дополнительной трудоемкой разметки. В условиях действующего производства имеет место также обычно большой объем ручного труда по доработке изделий на финишных операциях с целью достижения требований по качеству. Это требует значительных дополнительных трудозатрат, которых можно избежать при рациональном использовании возможностей систем управления станками. На рис.1.1-1.3 в качестве примеров представлены технологические системы механической обработки некоторых изделий энергетических машин: обработка ротора генератора на роторно-фрезерном станке (рис. 1.1), обработка статора

генератора на расточном станке (рис. 1.2), обработка корпуса поворотно-лопастной гидротурбины на карусельном станке (рис.1.3).

Рис. 1.1. Фрезерование продольных профильных пазов в роторе генератора на роторно-фрезерном станке

Ввиду отсутствия достоверной информации об особенностях

технологической системы при проектировании обработки используют, как правило, метод пробных ходов, что значительно увеличивает продолжительность отладки управляющих программ, а в некоторых случаях приводит к браку.

Рис. 1.2. Растачивание отверстий в статоре генератора борштан-гами с большим вылетом на расточном станке

Рис.1.3. Обработка корпуса поворотно-лопастной гидротурбины инструментами с большим вылетом на карусельном станке

Эффективность использования станков с ЧПУ при обработке изделий энергетических машин может быть определена показателями экономического и организационно-технического характера [30,43,61,89]. В настоящее время из числа этих показателей основны-

ми являются сокращение машинного времени обработки и увеличение ресурса режущего инструмента [43]. Сокращение машинного времени обработки достигается за счет реализации следующих возможностей: выбора оптимальной траектории движения режущего инструмента: изменения рабочей подачи и частоты вращения шпинделя в кадрах управляющей программы в соответствии с изменением условий обработки [8,66,87]. Важным резервом повышения эффективности использования станков с ЧПУ является прогнозирование свойств поверхностного слоя обрабатываемого изделия на основе оптимизационного проектирования режимов обработки с использованием соответствующих критериев качества.

Расширенные возможности по управлению обработкой изделий имеют системы управления станками типа СЫС [87]. Они позволяют производить коррекцию на размеры инструмента, логическое управление, коррекцию погрешностей, адаптивное управление механообработкой, накопление статистической информации, автоматизированный встроенный контроль, ввод и хранение системного программного обеспечения и др. [66].

Одним из доминирующих факторов при реализации эффективных режимов обработки резанием является деформативность технологической системы, существенно влияющая на выбор режимов резания. Учет деформативности может быть осуществлен суперпозицией следующих возможных вариантов воздействий: предискажение траектории движения режущего инструмента, уменьшение рабочей подачи, выбор ориентации режущего инструмента и заготовки по отношению к осям максимальной и минимальной жесткости. Другим доминирующим фактором является износостойкость режущего инструмента. Это особенно важно при обработке крупногабаритных заготовок, имеющих большую площадь обрабатываемой поверхности и длительные циклы

обработки [65]. Зная величину относительного линейного износа, в систему управления станка можно ввести поправку на размерный износ инструмента, что дает дополнительную возможность повышения точности обработки [73,74]. При этом возможность обработки заданного участка поверхности и потребное количество инструментов определяется периодом стойкости [54,74].

На основании изложенного можно сделать вывод о том, что повышения эффективности использования станков с ЧПУ при обработке резанием ответственных крупногабаритных заготовок можно добиться за счет программной модификации с учетом особенностей технологической системы, что достигается путем изменения управляющей программы на этапе подготовки производства. Указанное не требует дополнительных вложений в новую оснастку, создание специальной системы адаптивного управления станком. Такая программная модификация позволяет учесть систематические составляющие погрешности обработки, что существенно упрощает задачи эффективного управления процессом обработки. При модификации управляющей программы в каждый ее рабочий кадр помещаются рабочая подача и частота вращения инструмента, которые рассчитаны из условий обеспечения минимизации машинного времени при обеспечении заданной точности обработки.

1.2. СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ

УПРАВЛЕНИЯ ОБРАБОТКОЙ С УЧЕТОМ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

При обработке резанием, например, точением и растачиванием,

ответ