автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация подготовки производства с разработкой модуля управления качеством поверхностного слоя деталей на основе анализа пластической области в реальном масштабе времени

На правах рукописи

ФуЛ

Еремин Олег Николаевич ^ I

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА С РАЗРАБОТКОЙ МОДУЛЯ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ПЛАСТИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ

Специальность 05.13.06'. «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2009

003466311

Работа выполнена в Московском государственном университете приборостроения и информатики (МГУПИ)

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор,

почетный работник высшего

профессионального образования РФ Блохин В.В.

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Васьковский A.M.

кандидат технических наук, профессор Плешаков В.В.

Ведущая организация Савеловский машиностроительный завод

Защита состоится « 200 У г. в час. на

заседании диссертационного совета Д212.119.02 в Московском университете приборостроения и информатики (МГУПИ) по адресу: 107076, г. Москва, ул. Стромынка, д. 20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПИ. Автореферат разослан «/3 » 200 Jjг.

Ученый секретарь диссертационного совета: к.т.н., профессор Г^ Зеленко Г.В.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 1.1. Актуальность работы

На сегодняшний день качеству обработки поверхностей изготавливаемых деталей уделяется большое внимание. Оно обуславливает эксплуатационные свойства деталей и влияет на безотказность оборудования, компонентами которого и являются эти детали.

Для повышения качества обработки деталей совершенствуется производственное технологическое оборудование, применяются новые технологии и методы обработки. Достижение высокой точности обработки улучшает геометрические показатели поверхности обрабатываемых деталей. Однако качество поверхности не ограничивается только геометрическими параметрами, поскольку оно является комплексным свойством и характеризуется также физико-механическим и физико-химическим состоянием поверхности.

Физико-механические свойства оказывают большое влияние на эксплуатационные свойства деталей. Именно они определяют степень пластичности поверхностных слоев деталей, глубину наклепа и способность сопротивления материала разрушению - основного эксплуатационного свойства деталей. Разрушение деталей, как правило, начинается с их поверхностей, поэтому состояние поверхностей и приповерхностных слоев металла во многом обусловливает такие эксплуатационные свойства, как: усталостная прочность, износоустойчивость, коррозионная устойчивость и т. п.

Изменение физико-механических свойств поверхностного слоя происходит с каждым этапом обработки детали резанием, поэтому важным является учет влияния предшествующих технологических процессов на физико-механические свойства поверхностного слоя. Это явление называется «технологической наследственностью».

Располагая данными об общей глубине наклепа, расположении деформированных слоев в наклепанной области, твердости поверхностного слоя детали можно внести дополнительные алгоритмы в автоматизированную систему подготовки производства, что за счет изменения режима резания на текущем этапе обработки приведет к

улучшению качества поверхностного слоя детали и ее эксплуатационных свойств.

1.2. Цель и основные задачи работы

Целью работы является повышение качества поверхностного слоя деталей, обрабатываемых на металлорежущих станках с числовым программным управлением, за счет автоматизации подготовки управляющих программ, в процессе которой выбирается режим резания, учитывающий изменения физико-механических свойств поверхностного слоя на предшествующих этапах обработки, кручение и изгиб обрабатываемой детали в процессе обработки.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Анализ пластической зоны и основных факторов, влияющих на физико-механические свойства поверхностного слоя детали;

2. Определение зависимостей между режимом резания и физико-механическими свойствами поверхностного слоя детали;

3. Разработка методик, необходимых для численного определения параметров, влияющих на физико-механические свойства поверхностного слоя деталей;

4. Определение связей между компонентами режима резания, при которых кручение и изгиб обрабатываемой детали минимальны;

5. Разработка структуры системы автоматизированного программирования (САП) обработки на станке с ЧПУ на основе управления режимом резания;

6. Разработка структуры данных для наиболее эффективного и надежного хранения информации, необходимой для управления режимом;

7. Разработка методологии управления режимом резания, учитывающей физико-механические состояние поверхностного слоя детали на предшествующем этапе ее обработки.

1.3. Научная новизна

1. Разработаны: теоретические основы минимизации кручения и изгиба детали при обработке ее резанием, а также модели поперечной усадки стружки, границы зоны пластической деформации и частоты образования погрешностей на поверхности детали, что позволило задавать за счет автоматизации подготовки управляющих программ режимы обработки, обеспечивающие необходимое качество поверхностного слоя.

2. Разработаны структура данных и программный модуль для автоматизированного назначения режима резания на основе учета физико-механического состояния поверхностного слоя детали, обрабатываемой резанием.

1.4. Методы исследования

В основу теоретических исследований данной диссертационной работы положены методы регрессионного анализа, приближения функции по методу Чебышева, основные положения теории упругости и пластичности, технологии машиностроения, графо-аналитические и вычислительные методы на основе использования математических программных продуктов.

1.5. Практическая ценность

Предложена структура данных для хранения информации, необходимой для управления режимом резания, а также программа для повышения качества поверхностного слоя детали с учетом значения твердости поверхностного слоя, кручения и изгиба детали в процессе обработки ее резанием.

Низкая стоимость программного обеспечения, необходимого для работы системы, и отсутствие необходимости вносить изменения в систему ЧПУ станка позволяют осуществить быстрое и безболезненное ее внедрение на предприятии.

1.6. Внедрение результатов работы

Результаты данной диссертационной работы используются в МГУПИ в учебном процессе на каф. ИС-5.

1.7. Апробация результатов работы

Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

1. На научных семинарах кафедры ИС-5;

2. На НТС Савеловского машиностроительного завода;

3. На I Всероссийской научно-технической Интернет-конференции «Мехатроника. Робототехника. Автоматизация» (г. Москва, МГУПИ, 2007 г.);

4. На II Всероссийской научно-технической Интернет-конференции «Мехатроника. Робототехника. Автоматизация» (г. Москва, МГУПИ, 2008 г.);

5. На научной конференции «Актуальные проблемы приборостроения, информатики и социально-экономических наук» (г. Москва, МГУПИ, 2008 г.);

6. На XI международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики» (г. Сочи, 2008 г.);

7. На семинарах ООО «Omron Electronics» (г. Москва, 2007-2008 гг.).

1.8. Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 работ.

1.9. Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 155 страницах машинописного текста и включает в себя введение, четыре главы с выводами, заключение, список литературы из 86 наименований и приложения. Работа содержит 28 рисунков, 4 таблицы и 7 страниц приложений.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность проблемы повышения качества поверхности обрабатываемых резанием деталей на основе учета факторов, влияющих на физико-механические свойства деталей. Дается общая характеристика работы.

В первой главе рассмотрены основные физико-механические свойства поверхностного слоя обрабатываемых деталей и пластическая область. Проведен анализ взаимосвязей между данными свойствами.

Показаны схемы распространения пластической деформации, выполненные исследователями в ранних работах. Указаны зависимости распространения пластической области в поверхностном слое детали от компонентов режима резания.

Рассмотрен процесс образования стружки и возникновение напряженного состояния в процессе обработки детали резанием. Установлена зависимость усадки стружки от геометрических параметров режущего инструмента и компонентов режима резания.

Определено понятие наклепа. Указаны характеристики наклепанного слоя детали, виды наклепа, определены понятия глубины и степени наклепа. Установлены зависимости степени и глубины наклепа от некоторых компонентов режима резания, определена прямая взаимосвязь между наличием наклепанного слоя и возникновением остаточных напряжений.

Дано определение механических и остаточных напряжений. Рассмотрены остаточные напряжения первого, второго и третьего рода. Описана причина возникновения остаточных напряжений. Установлено влияние остаточных напряжений на эксплуатационные свойства деталей и зависимость величины напряжений от режима резания. Установлено увеличение остаточных напряжений в течение всего технологического процесса обработки детали резанием.

Рассмотрено понятие качества поверхности как совокупность геометрического, физико-механического и физико-химического свойств поверхностного слоя детали. Подробно рассмотрены физико-механические свойства и их связь с усталостью и разрушением поверхностного слоя.

Определены понятие «технологической наследственности» и связь между твердостью поверхностного слоя и режимом резания. Установлена связь между твердостью поверхностного слоя и остаточными напряжениями. Показана актуальность регулирования режима резания в соответствие с физико-механическим состоянием поверхностного на предшествующих этапах обработки.

Во второй главе рассмотрена структура САПР ТП, на основе которой происходит подготовка технологического процесса обработки детали.

Определено, что САПР ТП состоит из трех подсистем:

1. Подсистемы (система) автоматизации проектирования инструментальных переходов САПР ИП;

2. Подсистемы (система) автоматизации проектирования управляющих программ САПР УП;

3. Подсистемы (система) автоматизации проектирования технологической документации САПР ТД.

Установлено, что подсистема САПР УП, функционирующая после САПР ИП, строится с использованием процессора типовой системы автоматизации программирования САП для оборудования с ЧПУ и содержит: процессор САП; постпроцессоры для технологического оборудования с ЧПУ; макробиблиотеку с набором процедур, обеспечивающих автоматическое построение траектории движения инструмента в типовых инструментальных переходах.

Поскольку обработка режима резания происходит в специальном блоке САП, называемом постпроцессором, основное внимание в дальнейшем уделено именно ему.

Был проведен анализ организационной и информационной структуры типового постпроцессора. При анализе организационной структуры было выявлено, что постпроцессор имеет модульную структуру, где каждый отдельный модуль (блок) осуществляет ряд определенных операций, свойственных только ему. При этом возможно добавление других модулей и осуществление передачи информации между блоками при помощи редакторов связей, написанных на языке программирования типа С++.

При анализе информационной структуры постпроцессора было выявлено, что вся информация о станке и состоянии технологического

процесса хранится в соответствующих массивах, имеющих названия: массив данных оборудования DST; строка буфера кадров BUF; входной массив состояния DMT; массив команд кадра MKW. Был также описан процесс переработки постпроцессором информации.

Было установлено, что регулирование режима резания можно проводить с помощью программного модуля (блока), входящего в структуру постпроцессора.

В третьей главе разработаны: методика определения остаточных напряжений в поверхностном слое детали, модель поперечной усадки стружки на основе методов регрессионного анализа. Рассмотрен процесс резания детали инструментом с округленной вершиной, разработана модель определения границы пластической области с помощью приближения функции по методу Чебышева и определены зависимости между компонентами режима резания, при которых кручение и изгиб обрабатываемой детали минимален.

На рис.1 представлена расчетная схема для определения глубины проникновения пластической деформации в тело детали при резании резцом с заостренной вершиной.

Уравнение кривой L, определяющей распространение пластической деформации, в системе координат режущего инструмента хоу имеет вид:

где (1 - коэффициент трения стружки по передней поверхности инструмента, / - длина контакта стружки с передней поверхностью инструмента, I - глубина резания, £ - поперечная усадка стружки.

Далее путем определения уравнения нормали и разложения уравнения границы пластической зоны в ряд Маклорена получаем систему уравнений. Решая данную систему, получаем координаты точки А(уА;ил) в системе детали уоум.

Поскольку координаты точки 0,(у0,;ы0]) известны изначально, то можно найти отрезок О/А:

0)

OlA = J(vm-vJ>+(um-uA)1 .

(2)

и

г»

Ь П.

V

Гд

Гз

у - передний угол инструмента, д - глубина проникновения пластической деформации, г, - радиус детали, г, - радиус заготовки, г, - радиус, определяющий глубину проникновения пластической деформации, п -нормаль, хоу — система координат резца, УО/и - система координат обрабатываемой детали, Ь - кривая, задающая границы распространения пластической деформации

Поскольку где гд известно, то искомая величина глубины

проникновения деформации равна:

Схема снятия стружки режущим инструментом представлена на

Согласно рис. 2 напряжения а,, а>, г„ в системе координат хоу

Рис. 1. Расчетная схема

<5 = 0,5-0,4 = ^-0, А.

(3)

рисунке 2.

равны:

* |1-|1. (6)

(пластической области), вектор которого направлен вдоль оси х <ту -напряжение, вектор которого направлен вдоль оси у, г„ - касательное напряжение, - толщина стружки

Рис. 2. Схема напряженного состояния в стружке, движущейся вдоль передней поверхности режущего инструмента

На основе данных зависимостей построена методика определения остаточных напряжений в поверхностном слое детали.

Поскольку значения ц, I, к известны изначально, то необходимым условием нахождения компонентов напряженного состояния в пластической зоне (4-6) является определение значения 4, которое вычисляется на основе составляющих режима резания таких, как: 5 -подача, а - ширина срезаемого слоя, V - скорость, у - передний угол и др.

При этом / определяется выражением:

ч)

-Н)

240 V м/мин

Рис. 3. Зависимости поперечной усадки стружки от скорости резания V и подачи Б при обработке стали <гт = 35даН/мм1.

На рис. 3 видно, что график зависимости поперечной усадки стружки от скорости резания имеет свойство изменяться криволинейно и имеет два экстремума вне зависимости от величины подачи. В случаях зависимостей поперечной усадки стружки от ширины среза и коэффициента трения стружки графики представляют собой соответственно прямую линию и кривую, близкую к прямой. Исходя из этого, можно сделать вывод, что на закон распределения поперечной усадки стружки в первую очередь влияет скорость резания.

Поскольку 4 от V изменяется криволинейно и имеет два экстремума, а закон распределения ^ от 5 при заданных скоростях имеет схожий характер, то кривую линию 4 от V можно аппроксимировать тремя прямолинейными отрезками (пунктирная линия на рис. 3), задавшись средними значениями экстремумов при различных величинах подачи.

На основе принятых линейных зависимостей можно построить линейные модели поперечной усадки стружки в зависимости от заданных режимов резания и интервалов скоростей резания.

12

Определение модели проводилось на основе матричного метода регрессионного анализа.

Модель поперечной усадки стружки £, при обработке заготовки из стали с пределом текучести сгг =35даН/мм2 инструментом с передним углом у = 10° приняла вид:

1. При v=5-20 м/мин:

£ =-0,343565-0,018764S+0,000246v+4, ¡68372 ц -0,078547а;

2. При v=20-80м/мин:

%=0,952025+0,479627S+0,00464v+l,57408ц-0,121417а;

3. При v=80-260 м/мин:

4=1,796796-0,286246S-0,001039v+1,355849м -0,250139а.

Распространение пластической зоны при резании острозаточеным инструментом и инструментом с округленной вершиной происходит по-разному.

Путем анализа уравнения распространения пластической деформации была построена схема распространения данной области при резании резцом с округленной вершиной (рис. 4).

При помощи приближения функции по методу Чебышева было найдено альтернативное уравнение данной пластической области в виде:

х = -2.6923 - 0.4536^ + 0.0239/ +0.0005/. (8)

Проводя анализ данного уравнения, можно найти максимальную глубину пластической деформации и, таким образом, определить зону распространения остаточных напряжений в поверхностном слое обрабатываемой детали.

Исследования вращения и изгиба детали в процессе резания установили зависимости скорости подачи и угловой скорости вращения шпинделя, при которых кручение и изгиб минимален:

(9)

где Т0 - электромеханическая постоянная привода главного движения, i„p -передаточное отношение в кинематической цепи главного привода, <э0 -начальная угловая скорость.

Рис. 4. Границы пластической области при резании резцом с округленной вершиной

Частота образования погрешности на поверхности обрабатываемой детали определена выражением:

/s_£5L± K+is..^. (Ю)

2 V 4 2Го

В четвертой главе решена задача хранения информации, необходимой для управления режимом резания.

Был сделан вывод, что наиболее эффективным и надежным способом хранения данной информации является реляционная база данных (БД).

Проведен анализ разновидностей систем управления базами данных (СУБД) и средств, входящих в их состав и необходимых для создания базы данных.

Был произведен выбор СУБД, удовлетворяющей следующим требованиям:

1. СУБД должна работать в среде ОС UNIX или Linux и обладать

легкой «переносимостью» на другие операционные системы;

14

2. СУБД должна иметь минимальную стоимость при высокой скорости и надежности.

В соответствии с данными требованиями в качестве СУБД был выбран SQL - сервер MySQL.

Разработаны инфологическая и даталогическая модели БД.

Была разработана схема информационного взаимодействия программы повышения качества поверхностного слоя с сервером баз данных, основанной на архитектуре "клиент-сервер".

Разработан алгоритм информационного обмена программы с СУБД и дано описание особенностей интерфейса.

Разработаны алгоритм работы модуля повышения качества поверхностного слоя на основе управления режимом резания и метод интеграции данного модуля в систему САП. Данный модуль интегрируется в постпроцессор САП, а конкретнее, в блоки обработки постпроцессорных операторов SPINDL, отвечающий за частоту вращения шпинделя, и FEDRAT, отвечающий за подачу (рис. 5).

Рис. 5. Структура САП с БД и программным модулем повышения качества поверхностного слоя В приложениях приведен код программного модуля.

3. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В диссертации решается научно-техническая задача управления режимом резания с учетом физико-механического состояния поверхностного слоя детали на предшествующих этапах обработки резанием.

1. Установлена зависимость физико-механических свойств поверхностного слоя детали от режима резания.

2. Установлена «технологическая наследственность» - влияние результатов предшествующих этапов обработки детали резанием на последующие. Выявлен один из главных критериев - твердость поверхностного слоя детали.

3. Установлено негативное влияние остаточных напряжений на эксплутационные свойства деталей и зависимость между напряжениями и твердостью поверхностного слоя.

4. Выявлено, что распространение границы пластической зоны в случаях обработки режущим инструментом с округленной и острозаточенной вершиной осуществляется по-разному. На основе данного заключения представлены модели кривых пластической деформации для обоих случаев.

5. Выявлено, что на поперечную усадку стружки наибольшее влияние оказывает скорость резания. На основе этого положения определена модель поперечной усадки стружки.

6. Установлено, что кручение и изгиб детали в процессе резания влияют на геометрическое качество поверхностного слоя. Выявлено, что основными факторами, влияющими на кручение и изгиб, а также на частоту образования погрешностей на поверхности детали, являются скорость подачи и частота вращения шпинделя.

7. На основе анализа структуры САП сделан вывод о том, что наиболее подходящим модулем САП для управления режимом резания является постпроцессор.

8. Выявлено, что осуществление процесса повышения качества поверхностного слоя можно провести на основе программного модуля, внедренного в постпроцессор САП.

9. Разработаны программный модуль и структура данных, необходимые для управления режимом резания.

10.Установлено, что хранение информации предпочтительно осуществлять в СУБД MySQL в виду ее бесплатности, гибкости, мультиплатформенности и быстроты действия.

11. Разработана методология повышения качества поверхностного слоя детали с учетом твердости поверхностного слоя на предшествующих этапах обработки, а также ее кручения и изгиба в процессе обработки резанием.

4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНЫ В ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Еремин О.Н. Моделирование увода сверла за счет погрешности изготовления. - Мехатроника. Робототехника. Автоматизация: Сборник научных трудов. Выпуск №1 / Под общей редакцией Аршанского М.М. - М.: МГУПИ, 2006 г.

2. Блохин В.В., Мелкова С.О., Еремин О.Н. Информационное обеспечение регулирования остаточных напряжений при точении. -Мехатроника. Робототехника. Автоматизация: Сборник трудов I Всероссийской научно-технической Интернет-конференции (Москва, май-июнь 2007 г.). Выпуск №2. -М.: МГУПИ, 2007 г.

3. Блохин В.В., Мелкова С.О., Еремин О.Н. Информационное обеспечение систем управления волнистостью и шероховатостью в поперечном направлении при точении. - Мехатроника. Робототехника. Автоматизация: Сборник трудов I Всероссийской научно-технической Интернет-конференции (Москва, май-июнь 2007 г.). Выпуск №2. -М.: МГУПИ, 2007 г.

4. Еремин О.Н. Информационное обеспечение систем управления качеством поверхностного слоя при точении. - Мехатроника Робототехника. Автоматизация: Сборник трудов I Всероссийской научно-технической Интернет-конференции (Москва, май-июнь 2007 г.). Выпуск №2. - М.: МГУПИ, 2007 г.

5. Еремин О.Н., Блохин В.В. Регрессионный анализ поперечной усадки стружки. - Журнал СТИН. Выпуск №8, 2008 г.

6. Еремин О.Н. Информационное обеспечение систем управления

износом инструмента и динамикой процесса резания. - Информатика и технология: Межвузовский сборник: Материалы научно-технической конференции Московского государственного университета приборостроения и информатики. Факультет ТИ / Под редакцией к.т.н., доц. Белова В.Г., д.т.н., проф. Крашенинникова А.И. -М.: МГУПИ, 2008 г.

7. Еремин О.Н. Распространение пластической деформации при резании инструментом с округленной вершиной. - Сборник трудов научной конференции «Актуальные проблемы приборостроения, информатики и социально-экономических наук». - М.: МГУПИ, 2008 г.

8. Мелкова С.О., Еремин О.Н. Исследование вращения заготовки, искривленной в процессе обработки резанием. - Научные труды XI Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики». — М.: МГУПИ, 2008 г.

ЛР № 020418 от 08 октября 1997 г.

Подписано к печати 13.03.2009 г. Формат 60x84. 1/16. Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 34.

Московский государственный университет приборостроения и информатики

107996, Москва, ул. Стромынка, 20

Введение

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ КАК СОВОКУПНОСТЬ ВЗАИМОСВЯЗАННЫХ ЯВЛЕНИЙ

1.1. Понятие о кристалле

1.2. Пластичность и пластическая деформация

1.3. Процесс образования стружки, понятие усадки стружки

1.4. Границы распространения пластической деформации

1.5. Явление наклепа

1.6. Понятие об остаточных напряжениях

1.7. Понятие качества поверхности и влияние остаточных напряжений на эксплуатационные свойства деталей машин

1.8. Обрабатываемость поверхности заготовки после первичной обработки

1.9. Выводы

ГЛАВА 2. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ (САПР) И СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

ПРОГРАММИРОВАНИЯ (САП)

2.1. Структура САПР ТП

2.2. Классификация САП

2.3. Структура и основные блоки САП

2.4. Организационная структура постпроцессора

2.5. Информационная структура постпроцессора

2.6. Выбор режима резания в САП

2.7. Выводы

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА КАЧЕСТВО ПОВЕХНОСТНОГО СЛОЯ ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ДЕТАЛИ

3.1. Определение глубины проникновения пластической области в тело заготовки при обработке резанием инструментом с заостренной вершиной

3.2. Методика определения остаточных напряжений в поверхностном слое обрабатываемой заготовки

3.3. Разработка модели поперечной усадки стружки с помощью регрессионного анализа

3.4. Процесс обработки заготовки резанием инструментом с округленной вершиной

3.5. Определение границы пластической области в теле заготовки при обработке резанием инструментом с округленной вершиной

3.6. Исследование вращения заготовки, искривленной в процессе обработки резанием

3.7. Выводы

ГЛАВА 4. УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММНОГО МОДУЛЯ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ПЛАСТИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ И УЧЕТА КРУЧЕНИЯ И ИЗГИБА ДЕТАЛИ В ПРОЦЕССЕ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ

4.1. Повышение качества поверхностного слоя детали на основе управления режимом резания

4.2. База данных как способ хранения информации, необходимой для реализации методологии повышения качества поверхностного слоя

4.2.1. Разновидности систем управления базами данных (СУБД)

4.2.2. Средства БД

4.2.3. Уровни моделей БД

4.2.4. Выбор СУБД

4.2.5. Возможности MySQL

4.2.6. Построение инфологической модели

4.2.7. Построение даталогической модели

4.2.8. Схема информационного взаимодействия программы повышения качества поверхностного слоя деталей с сервером баз данных

4.2.9. Алгоритм информационного обмена программы с СУБД

4.3. Алгоритм программы повышения качества поверхностного слоя детали на основе анализа пластической области и учета кручения и изгиба детали в процессе резания

4.4. Особенности программы

4.5. Структура САП с учетом баз данных и программного модуля

4.6. Выводы

На сегодняшний день качеству обработки поверхностей изготавливаемых деталей уделяется большое внимание. Оно обуславливает эксплутационные свойства деталей и влияет на безотказность оборудования, компонентами которого и являются эти детали.

Для повышения качества обработки деталей совершенствуется производственное технологическое оборудование, применяются новые технологии и методы обработки деталей. Достижение высокой точности обработки улучшает геометрические показатели поверхности обрабатываемых деталей. Однако качество поверхности не ограничивается только геометрическими параметрами, поскольку оно является комплексным свойством и характеризуется также физико-механическим и физико-химическим состоянием поверхности.

Физико-механические свойства оказывают большое влияние на эксплуатационные свойства деталей. Именно они определяют степень пластичности поверхностных слоев деталей, глубину наклепа и способность сопротивления материала разрушению - основного эксплуатационного свойства деталей. Разрушение деталей, как правило, начинается с их поверхностей, поэтому состояние поверхностей и приповерхностных слоев металла во многом обусловливает их эксплуатационные свойства такие, как: усталостная прочность, износоустойчивость, коррозионная устойчивость и т. п.

В процессе резания происходит много различных явлений: пластические и упругие деформации, внешнее трение, тепловые явления, абразивный, диффузионный и химический износ, упрочнение и разупрочнение, фазовые превращения, адсорбция и т.д. Все эти явления в той или иной степени влияют друг на друга. Однако важнейшую роль играют пластические деформации обрабатываемого материала, так как они в значительной степени предопределяют протекание всех остальных явлений и, следовательно, процесса резания в целом. От пластической деформации зависит нагрузка на упругую систему станок — инструмент — деталь — приспособление (СПИД), работа резания и ее составляющие, контактные напряжения на рабочих поверхностях режущего инструмента, общее количество выделяющегося тепла и удельное тепловыделение, температура контакта инструмента с обрабатываемым материалом, интенсивность износа инструмента, форма образующейся стружки и направление ее движения, чистота обработанной поверхности, качество поверхностного слоя детали и т.д.

В результате воздействия рабочих поверхностей режущего инструмента, а также в зависимости от других факторов, определяющих условия обтекания режущих элементов инструмента деформируемым металлом, металл, образовывающий поверхностный слой, оказывается в той или иной степени деформированным, а иногда частично разрушенным.

Развивающаяся при перемещении режущего элемента инструмента деформация в толщу поверхностного слоя изменяет его свойства по сравнению с основной массой металла. Эта деформация может повышать предел текучести, понижать относительное удлинение при разрыве и влиять на ударную вязкость металла, образовывающего поверхностный слой.

В итоге распространения деформации в металле, образующем поверхностный слой, возникают внутренние напряжения, которые в процессе разгрузки образуют остаточные напряжения.

Остаточные напряжения образуются в поверхностном слое детали после обработки ее режущим инструментом. Одной из главных особенностей остаточных напряжений является способность увеличиваться при дальнейшей механической обработке заготовки и складываться с рабочими напряжениями при эксплуатации. Это ведет к ухудшению качества поверхности и эксплуатационных свойств деталей.

Зона распространения остаточных напряжений зависит непосредственно от границы и глубины проникновения деформации в поверхностный слой заготовки, поэтому их определение является важным и необходимым условием для дальнейшего определения остаточных напряжений и их анализа влияния на эксплуатационные свойства деталей.

Все перечисленные факторы в той или иной степени оказывают свое влияние на эксплуатационные свойства деталей машин. Поэтому анализ их влияния на поверхностный слой заготовки является необходимым условием для повышения качества обрабатываемой поверхности.

Однако рассмотрение данных факторов невозможно без глубокого анализа структуры материала детали и процессов, происходящих в поверхностном слое детали при обработке резанием. '

4.6. Выводы

1. Описан процесс повышения качества поверхностного слоя на основе управления режимом резания с учетом твердости поверхностного слоя на предшествующем этапе обработки, кручения и изгиба обрабатываемой резанием детали.

2. Проанализирован способ хранения информации, необходимой для осуществления процесса управления. Сделан вывод о том, что предпочтительно осуществить хранение данных в виде реляционной базы данных. Дано описание средств и моделей БД.

3. Осуществлен выбор СУБД.

4. Построены инфологическая и даталогическая модели БД.

5. Описан алгоритм информационного обмена между программой и БД.

6. Описана работа программного модуля, представлен алгоритм.

7. Представлена структура САП с учетом БД и программного модуля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решается научно-техническая задача управления режимом резания с учетом физико-механического состояния поверхностного слоя детали на предшествующих этапах обработки резанием.

1. Установлена зависимость физико-механических свойств поверхностного слоя детали от режима резания.

2. Установлена «технологическая наследственность» - влияние результатов предшествующих этапов обработки детали резанием на последующие. Выявлен один из главных критериев — твердость поверхностного слоя детали.

3. Установлено негативное влияние остаточных напряжений на эксплутационные свойства деталей и зависимость между напряжениями и твердостью поверхностного слоя.

4. Выявлено, что распространение границы пластической зоны в случаях обработки режущим инструментом с округленной и острозаточенной вершиной осуществляется по-разному. На основе данного заключения представлены модели кривых пластической деформации для обоих случаев.

5. Выявлено, что на поперечную усадку стружки наибольшее влияние оказывает скорость резания. На основе этого положения определена модель поперечной усадки стружки.

6. Установлено, что кручение и изгиб детали в процессе резания влияют на геометрическое качество поверхностного слоя. Выявлено, что основными факторами, влияющими на кручение и изгиб, а также на частоту образования погрешностей на поверхности детали, являются скорость подачи и частота вращения шпинделя.

7. На основе анализа структуры САП сделан вывод о том, что наиболее подходящим модулем САП для управления режимом резания является постпроцессор.

8. Выявлено, что осуществление процесса повышения качества поверхностного слоя можно провести на основе программного модуля, внедренного в постпроцессор САП.

9. Разработаны программный модуль и структура данных, необходимые для управления режимом резания.

10. Установлено, что хранение информации предпочтительно осуществлять в СУБД MySQL в виду ее бесплатности, гибкости, мультиплатформенности и быстроты действия.

11. Разработана методика повышения качества поверхностного слоя детали с учетом твердости поверхностного слоя на предшествующих этапах обработки, а также ее кручения и изгиба в процессе обработки резанием.

1. Автоматизация проектирования систем управления: Сборник статей, выпуск 4. Под ред. Трапезникова В.А. - М.: Финансы и статистика, 1982 г.

2. Автоматизированное проектирование систем автоматического управления. Под ред. Солодовникова В.В. - М.: Машиностроение, 1990 г.-332 е.: ил.

3. Алехин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов. М.: Наука. 1983 г. - 280 е.: ил.

4. Айвазян С.А. Статистическое исследование зависимостей. М.: Металлургия, 1968 г. - 277 е.: ил.

5. Аршанский М.М., Щербаков В.П. Вибродиагностика и управление точностью обработки на металлорежущих станках. М.: Машиностроение, 1988 г. - 134 е.: ил.

6. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз, 1963 г. - 232 с.

7. Блохин В.В. Математическое моделирование процессов, систем и комплексов механической обработки. М.: МГАПИ, 1995 г. - 64 е.: ил.

8. Браславский В.И., Куликов О.О. Поверхностная деформация и остаточные напряжения при обкатывании крупных валов. — Упрочнение деталей машин механическим наклепыванием: Сборник научных трудов. -М.: Наука, 1965 г.

9. Бриджмен П. Исследование больших пластических деформаций и разрыва. М.: Издательство иностранной литературы, 1955 г.

10. Ванин В.А. Проектирование и программирование технологических операций на станках с ЧПУ: Учебное пособие. Тамбов: ТГТУ, 1997г. - 123 е.: ил.

11. Воробьев JI.H. Технология машиностроения и ремонт машин. М.: Высшая школа, 1981 г. - 341 е.: ил.

12. Вульф A.M. Резание металлов. Д.: Машгиз, 1963 г. - 428 е.: ил.

13. Гжиров Р.И., Обольский Я.З., Серебреницкий П.П. Автоматизированное программирование обработки на станках с ЧПУ. Л.: Лениздат, 1986 г. - 176 с.

14. Гжиров Р.И., Серебреницкий П.П. Программирование обработки на станках с ЧПУ: Справочник. Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1990 г. - 588с.: ил.

15. Гибкое автоматическое производство. — Под общей ред. Майорова С.А., Орловского Г.В., Халкиопова С.Н. Л.: Машиностроение, 1985 г. - 454 с.

16. Глушков Г.С., Синдеев В.А. Курс сопротивления материалов. М.: Высшая школа, 1965 г. — 768 е.: ил.

17. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика: Учебное пособие для ВУЗов. Изд. 12-е, перераб. - М.: Высшее образование, 2006 г. — 479 с.

18. Гольдштейн А.И., Молочник В.И., Альтбрегина Р.В. Разработка постпроцессоров для многокоординатного фрезерного оборудования с ЧПУ. Автоматизация проектирования машиностроительных предприятий. - Киев: Знание, 1981 г.

19. Губкин С.И. Деформируемость цветных металлов (Закон дополнительных напряжений). М.: Академия Наук СССР, 1952 г.

20. Гурский Д. Вычисления в Mathcad 12. СПб: Питер, 2006 г. - 544с.

21. Гутер Р.С., Овчинский Б.В. Элементы числового анализа и математической обработки результатов опыта. — М.: Наука, 1970 г. — 432 е.: ил.

22. Гырдымов Г.П., Молочник В.И., Гольдштейн А.И. Проектирование постпроцессоров для оборудования ГПС. Л.: Машиностроение, 1988 г. — 232 е.: ил.

23. Давиденков Н.Н. Избранные труды (в 2-х т.). Киев: Наук. Думка, 1981 г.

24. Давиденков Н.Н. Механические свойства материалов и методы измерения деформаций. Киев: Наук. Думка, 1981 г.

25. Давиденков Н.Н. Усталость металлов. Киев: АНУ ССР, 1949 г. - 62 е.: ил.

26. Дарков А.В., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов: Учебное пособие для ВУЗов. Изд. 5-е в 2-х томах, перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1989 г. — 622 е.: ил.

27. Деденко Л.Г., Керженцев В.В. Математическая обработка и оформление результатов эксперимента. Под. ред. Матвеева А.Н. - М.: изд. МГУ, 1977 г. - 112 е.: ил.

28. Дель Г.Д. Технологическая механика. М.: Машиностроение, 1978 г. -174 е.: ил.

29. Дель Г.Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости. М.: Машиностроение. 1971 г. - 199 е.: ил.

30. Дерябин А.Л. Программирование технологических процессов для станков с ЧПУ: Учебное пособие для машиностроительных техникумов. М.: Машиностроение, 1984 г. - 223с.: ил.

31. Дерябин А.Л. Технология изготовления деталей на станках с ЧПУ и в ГПС: Учебное пособие для машиностроительных техникумов. М.: Машиностроение, 1989 г. - 288с.: ил.

32. Динамика процесса резания металлов: Сборник статей. Под ред. д.т.н. Каширина А.И. - М.: Машгиз, 1953 г. - 188 е.: ил.

33. Довнар С.С. Численно-математическая модель для определения напряжений, возникающих при обработке металлов резанием. — Вести Академии Наук БССР. Серия физико-технических наук, №2, 1985 г.

34. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. Перевод с англ. Адлера Ю.П., Горского В.Г. - Изд. 2-е в 2-х томах, перераб. и доп. - М.: Финансы и статистика, 1986 г. -717 е.: ил.

35. Дудин-Барковский И.В., Смирнов Н.В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. Изд. 3-е, стереотип. - М.: Наука, 1966 г.

36. Дюбуа Поль. MySQL. Изд 3-е. — М.: Вильяме, 2006 г. 1168 е.: ил.

37. Зорев Н.Н. Вопросы механики процесса резания металлов. М.: Машгиз, 1956 г. - 368с.: ил.

38. Исаев А.И. Процесс образования поверхностного слоя при обработке металлов резанием. М.: Машгиз, 1950 г. - 358 е.: ил.

39. Исследование в области пластичности и обработки металлов давлением: Сборник научных трудов. Отв. ред. Яковлев С.П. - Тула: ТПИ, 1980 г.-145 е.: ил.

40. Исследование пластического течения металлов. Отв. ред. Томденов А.Д. - М.: Наука, 1970 г. - 124 е.: ил.

41. Карпенко Г.В. Влияние механической обработки на прочность и выносливость стали. М.: Машгиз, 1959 г. - 185 е.: ил.

42. Кирьянов Д. В. Самоучитель Mathcad 13. СПб: БХВ-Петербург, 2006 г. - 528 с.

43. Кирюшин О.В. Матричный калькулятор Matrical. Уфа: УГНТУ, 1999 г. http://kiryushin.boom.ru/soft.htm

44. Клушин М.И. Резанием металлов. М.: Машгиз, 1953 г. - 431 е.: ил.

45. Клушин М.И. Резание металлов. Элементы теории пластического деформирования срезаемого слоя. Изд. 2-е, перераб. - М.: Машгиз, 1958 г.-454 с.

46. Кобрин М.М., Георгиевский М.Б., Чередов С.В. Остаточные напряжения в крупных валах, упрочненных роликами. Труды ЦНИИТМАШ, вып. 49. - М.: Машигз, 1952 г.

47. Кравченко Б.А. Силы, остаточные напряжения и трение при резании металлов. Куйбышев: КНИ, 1962 г. - 180 с.

48. Кривоухов В.А. Деформирование поверхностных слоев металла в процессе резания. — М.: Машгиз, 1945 г.

49. Кривоухов В.А. Обработка металлов резанием. М., 1958 г.

50. Кувшинов М.С. Программное управление станками: Учебное пособие. Челябинск: Издательство ЮУрГУ, 1998 г. - 76 е.: ил.

51. Кузнецов В.Д. Физика твердого тела. Т. 3. Томск: Изд. Красное знамя, 1944 г. - 742 с.

52. Кузнецов М., Симдянов И. Самоучитель MySQL 5. СПб.: БХВ-Петербург, 2006 г. - 560 е.: ил.

53. Лоладзе Т.Н. Стружкообразование при резании металлов. М.: Машгиз, 1952 г. -200 е.: ил.

54. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. М.: Машиностроение, 1976 г. - 278 е.: ил.

55. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания особо прочных материалов. Уфа - 1980 г.

56. Малинин Н.Н. Основы теории пластичности и ползучести. М.: Машгиз, 1970 г.

57. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести: Учебное пособие для ВУЗов. Под ред. Пономарева С.Д. - М.: Машиностроение, 1968 г. -400 е.: ил.

58. Маталин А.А. Технологические методы повышения долговечности деталей машин. Киев: Техника, 1971 г. - 122 с.

59. Молочник В.И., Гырдымов Г.П., Гольдштейн А.И. Проектирование постпроцессоров для оборудования с числовым программным управлением. Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1982 г. - 136 е.: ил.

60. Одинг И.А. Допускаемые напряжения в машиностроении и циклическая прочность металлов. — М.: Машгиз, 1962 г. — 260 с.

61. Очков В.Ф. Mathcad 14 для студентов и инженеров. СПб.: БХВ-Петербург, 2007 г.

62. Пашкевич М.Ф., Сукало А.И. Исследование глубины проникновения и степени наклепа при точении ротационными резцами. Вести Академии Наук БССР. Серия физико-технических наук, №3, 1974 г.

63. Подзей А.В., Сулима A.M., Евстигнеев М.И. Технологические остаточные напряжения. М.: Машиностроение, 1973 г. — 215 с.

64. Поляков А.А. Теория безызносности. Вестник машиностроение, №9, 1990 г.

65. Прата Стивен. Язык программирования С++: лекции и упражнения. — Учебное пособие. СПб: ДиаСофтЮП, 2005 г. - 1004с.

66. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела: Учебное пособие для ВУЗов. Изд. 2-е, исправл. - М.: Наука, 1988 г. - 711 е.: ил.

67. Резников Н.И. Производительная обработка нержавеющих и жаропрочных материалов. М., 1960 г.

68. Розенберг A.M., Еремин А.Н. Элементы теории процесса резания металлов. -М.: Машгиз, 1956 г.

69. Розенберг A.M., Хворостухин JI.A. Твердость и напряжение в пластически деформированном теле. — Журнал технической физики, т. 25. Вып. 2, 1955 г.

70. Смирнов B.C. Теория обработки металлов давлением: Учебное пособие для ВУЗов. М.: Металлургия, 1973 г. — 496 е.: ил.

71. Сосонкин B.J1. Программное управление технологическим оборудованием: Учебник для ВУЗов. — М.: Машиностроение, 1991 г. — 512 е.: ил.

72. Суслов А.Г., Кравцов Н.В. К вопросу оценки и описания поверхностных остаточных напряжений при механической обработке.- Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин: Сборник научных трудов. Брянск: БИТМ, 1988 г. 152 с.

73. Талантов Н.В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента. М.: Машиностроение, 1992 г. - 240 е.: ил.

74. Тиме И.А. Мемуары о строгании металлов. С.-Петербург, 1877 г. -16 с.

75. Торбило В.М. Алмазное выглаживание. М.: Машиностроение, 1972 г. — 105 е.: ил.

76. Торбило В.М., Маркус Л.И. Остаточные напряжения в поверхностном слое после алмазного выглаживания. Вестник Машиностроения, №6, 1969 г.

77. Трент Эдвард М. Резание металлов. Перевод с англ. Айзенштокова Г.И. - М.: Машиностроение, 1980 г. -263 с.

78. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: Учебник для ВУЗов. -Изд. 9-е, перераб. М.: Наука, 1986 г. - 512 с.

79. Холзнер С. Visual С++ 6: Учебный курс. СПб.: Питер, 2007 г. - 570 с.

80. Хоникомб Р.В. Пластическая деформация металлов. Мир, 1972 г. -408 с.

81. Черкасов Ю.М., Гринштейн В.А., Радашевич Ю.Б. и др. Автоматизация проектирования АСУ с использованием прикладных программ. М.: Энергоатомиздат, 1987 г. - 326 е.: ил.

82. Шелдон Роберт, Мойе Джоффрей. MySQL: базовый курс. М.: Диалектика, 2007 г. - 880 е.: ил.

83. Якобсон М.О. Шероховатость, наклеп и остаточные напряжения при механической обработке. М.: Машгиз, 1956 г. - 292

84. Connection con(useexceptions);con.connect("temp");

85. Connection con(useexceptions);con.connect("data");

86. Connection con(useexceptions);con.connect("data");

87. Query query = con.query();query«"SELECT tempmodel, temp hrc, temp m FROM temp";res = query.store();modeltek row"tempmodel".;hrctek = row"temphrc".;m = row"tempm".;query«"SELECT dbv, dbn, dbgamma, db ksi, db mju, db k, db db ipr, db g