автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое моделирование процесса базирования заготовок крупногабаритных корпусных изделий на первой операции механической обработки

На правах рукописи

ТОМИЛИН СЕРГЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА БАЗИРОВАНИЯ ЗАГОТОВОК КРУПНОГАБАРИТНЫХ КОРПУСНЫХ ИЗДЕЛИЙ НА ПЕРВОЙ ОПЕРАЦИИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Специальность: 05.13.18 -Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новочеркасск 2005

Работа выполнена на кафедре «Математика» Волгодонского института (филиала) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Сысоев Юрий Семенович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Хазанович Григорий Шнеерович

доктор физико-математических наук, профессор Фетисов Валерий Георгиевич

Ведущее предприятие:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет»

Защита диссертации состоится «23» мая 2005 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212. 304. 02 при ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, ауд. 107 (главный корпус).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»

Автореферат разослан «20» апреля 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, профессор //гШ^у Иванченко А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современный этап развития техники и технологий характеризуется значительным повышением требований к качеству изделий машиностроения. Это объясняется, прежде всего, необходимостью повышения надежности работы оборудования, что особенно важно на объектах энергетических, химических и других опасных производств, аварии на которых вследствие отказов оборудования представляют серьезную опасность для человечества. Надежность такого оборудования закладывается и в большей степени обеспечивается при его изготовлении.

Наиболее ответственными и трудоемкими в изготовлении являются корпусные изделия, такие как, корпуса ядерных реакторов и парогенераторов, эллиптические и сферические крышки реакторов и др. Все эти изделия проходят сложный процесс изготовления от получения заготовки до механической обработки их поверхностей и сборки. Каждый из этапов их производства имеет свои особенности и сложности, обусловленные, прежде всего, крупными размерами и огромной массой этих изделий, а так же повышенными требованиями к безотказности их работы. Одной из наиболее сложных задач, которую приходится решать инженерам-технологам при изготовлении таких изделий, является повышение точности их формы. Отклонения формы поверхности детали вызывают сложности при сборке изделия, обусловленные отсутствием требуемого сопряжения деталей, повышают вероятность появления дефектов в сварных швах; снижают надежность функционирования деталей, что является недопустимым для изделий тяжелого и атомного машиностроения.

Стремление обеспечить возможность изготовления ответственных крупногабаритных деталей приводит к завышению припусков на обработку. Необходимость обеспечить требуемую точность формы деталей приводит к увеличению оперативного времени на обработку за счет назначения малой толщины срезаемого слоя. Все это снижает производительность труда и повышает себестоимость продукции, что является недопустимым в современных экономических условиях.

С учетом вышеизложенного, особую актуальность в настоящее время приобретает решение научной проблемы в области технологии производства крупногабаритных корпусных изделий тяжелого и атомного машиностроения, состоящей в разработке, как теоретических положений, так и практических рекомендаций, позволяющих повысить точность геометрических форм таких изделий посредством специального распределения припуска базированием при механической обработке поверхностей их заготовок. Эта задача входит в приоритетные направления развития науки, технологий и техники Российской Федерации (Пр. - 577 от 30.03.2002 г.) «Производственные технологии».

Решение указанной проблемы невозможно без использования математического моделирования. На первой операции механической обработки, как правило, технологические базы не поддаются материализации и для базирования используются скрытые базы. В этом случае только на основе математического моделирования удается решать задачи направленного регулирования распределения припуска по черновым поверхностям, определять параметры технологических баз, обеспечивающих указанное распределение и находить требуемое положение заготовок на технологическом оборудовании.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является повышение точности формы крупногабаритных корпусных изделий тяжелого и атомного машиностроения при обработке резанием их заготовок посредством распределения припуска базированием на основе априорного математического моделирования их технологических баз.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать критерий выбора технологических баз, использование которых обеспечивает наименьшие отклонения формы поверхностей деталей, получаемых механической обработкой их заготовок.

2. Разработать общую математическую модель скрытой технологической базы, обеспечивающей распределение припуска, позволяющее добиваться наиболее точных геометрических форм, для изделий произвольной формы на первой операции механической обработки; разработать частные случаи общей математической модели для изделий, наиболее часто встречающихся в машиностроительной практике, и построить их дискретные аналоги; а так же разработать алгоритмы для практического анализа построенных дискретных моделей с целью определения параметров технологических баз.

3. Разработать методику для проведения контроля и корректировки положения заготовки при базировании на токарно-карусельных станках и обрабатывающих центрах.

4. Разработать практические рекомендации и программные продукты для информационного обслуживания операции базирования заготовок крупногабаритных корпусных изделий на технологическом оборудовании.

Методы исследования. В теоретической части работы использовались методы аналитической геометрии, математического анализа, теории оптимизации. Экспериментальные исследования выполнены непосредственно на реальных объектах с использованием станков токарной и фрезерной групп, универсальной измерительной машины УИМ - 23 и карусельных станков типа обрабатывающих центров в качестве координатных измерительных машин.

Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов выполненных диссертационных исследований подтверждается корректным применением математического аппарата, фундаментальных положений технологии машиностроения и теории резания, а так же результатами проведенных экспериментов и внедрением результатов работы в производство.

Научная новизна работы.

1. Установлено, что наименьшие отклонения формы при механической обработке получаются в случае логарифмически равномерного распределения припуска по поверхности заготовки.

2. Получена общая математическая модель скрытых технологических баз для заготовок изделий произвольной формы, обеспечивающих логарифмически равномерное распределение припуска по черновым поверхностям заготовок, и ее частные случаи для наиболее часто встречающихся на практике крупногабаритных изделий.

3. Разработан алгоритм для анализа построенных математических моделей, представляющих собой оптимизационные задачи с ограничениями и целевыми функциями, обладающими сильно выраженной овражной структурой.

4. Разработана новая методика контроля и корректировки положения крупногабаритных цилиндрических заготовок на карусельных станках и обрабатывающих центрах при проведении базирования.

I фактическая ценность работы. Разработана и внедрена в производство ОАО «ЭМК-Атоммаш» система информационного обслуживания одной из основных и наиболее сложных технологических операций механической обработки крупногабаритных корпусных цилиндрических изделий на токарно-карусельных станках и обрабатывающих центрах - операции базирования при отсутствии явных технологических баз. Теоретические положения и практические рекомендации, содержащиеся в на-

стоящей работе, использованы в курсах лекций «Математическое моделирование процессов в машиностроении», «Нормирование точности», «Технология тяжелого и атомного машиностроения» и других, читающихся для специальностей «Информационные системы и технологии», «Технология машиностроения», «Автоматизация технологических процессов и производств» и др.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Общий принцип распределения припуска, позволяющего добиваться наименьших отклонений формы при обработке резанием, а так же общая математическая модель скрытой технологической базы, обеспечивающей логарифмически равномерное распределение припуска по поверхности заготовки изделия произвольной формы базированием при отсутствии явных технологических баз.

2. Математические модели скрытых технологических баз, обеспечивающих логарифмически равномерное распределение припуска по поверхностям заготовок, наиболее часто встречающихся на практике крупногабаритных изделий тяжелого и атомного машиностроения, и алгоритмы процедур для определения параметров этих баз по результатам координатных измерений.

3. Методика контроля и корректировки положения крупногабаритных цилиндрических заготовок при их базировании на технологическом оборудовании.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на:

1) X - XI международных научно-технических конференциях «Машиностроение и техносфера XXI века» в г. Севастополе (2003 и 2004 г.);

2) всероссийской научно-практической конференции «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» в г. Пензе (2004 г.);

3) VIII всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» в г. Пензе (2004 г.);

4) III международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» в г. Пензе (2005 г.);

5) научно-технических семинарах АГТУ (г. Астрахань, 2004 г.), ДГТУ (г. Ростов-на-Дону, 2005 г.) и совместной лаборатории математических исследований ЮРГУЭС и Института прикладной математики ВНЦ РАН (г. Шахты, 2005 г.);

6) кафедрах прикладной математики (ЮРГТУ (НПИ), г. Новочеркасск, 2005 г.), математики, информационных и управляющих систем, технологии машиностроения (ВИ(ф) ЮРГТУ (НПИ), г. Волгодонск, 2003 - 2005 г.);

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, из них 5 научных статей (в том числе 2 без соавторов), 8 докладов на научных конференциях (в том числе 2 без соавторов).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов работы, списка литературы и приложений. Работа изложена на 147 листах, содержит 27 рисунков и 24 таблицы. Список литературы содержит 88 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, раскрыта научная новизна и практическая значимость работы, приведены положения, выносимые на защиту.

Первая глава «Анализ проблемы распределения припуска и базирования при изготовлении крупногабаритных корпусных изделий. Постановка задач исследования» посвящена анализу особенностей производства крупногабаритных корпусных изделий тяжелого и атомного машиностроения, проблемам, связанным с распределением припуска по поверхностям заготовок и их базированием при механической обработке на технологическом оборудовании. В этой главе анализируются существующие научные положения и положения нормативных документов по указанным проблемам.

Одним из важнейших показателей качества изготовления детали является точность формы ее поверхности. Одной из причин погрешностей формы обработанной поверхности является наличие упругих отжатий в технологической системе «станок - приспособление - инструмент - деталь» (СПИД), которые порождаются нестабильностью сил резания. Тот же эффект нестабильности сил резания, а следовательно, и соответствующее искажение геометрии поверхностей детали можно получить неправильной установкой заготовки для механической обработки ее поверхности. Поэтому точность формы деталей, получаемых механической обработкой, в значительной степени зависит от правильного выбора технологических баз и реализации процесса базирования.

Одним из основных требований при изготовлении крупногабаритных изделий тяжелого машиностроения является стремление обеспечить гарантированное получение из заготовки годной детали. Поэтому погрешности базирования обязательно учитывают при назначении припусков на механическую обработку. Очевидно, что чем большие погрешности допускаются при установке, тем большую величину припуска закладывают на механическую обработку, что, в свою очередь, ведет к увеличению расхода металла, энергии и трудозатрат. Например, технология изготовления корпуса реактора ВВЭР - 1000 предполагает, что кованая заготовка обечайки в 1,5-2 раза тяжелее окончательно обработанной под сварку в корпус. Более того, с целью избежать брака при механической обработке этих дорогостоящих изделий, производственники, перестраховываясь, во-первых, умышленно завышают расчетные припуски, а во-вторых, изготавливают заготовки с фактическими припусками значительно превосходящими расчетные. Это предоставляет возможности для варьирования распределения припуска по поверхности заготовок для решения различных практических задач.

Проблемам базирования посвящено множество работ отечественных и зарубежных авторов, среди которых необходимо выделить работы Б.М. Базрова, Б.С. Балакшина, В.М. Кована, И.М. Колесова, B.C. Корсакова, А.А. Маталина, В.В. Микитянского и др.

Методы базирования, разработанные этими учеными, представляют собой общие рекомендации и не учитывают особенностей формы конкретных заготовок, а значит, не в полной мере учитывают распределение припуска по обрабатываемым поверхностям. Однако для каждого крупногабаритного изделия с учетом его стоимости экономически целесообразным является постановка, формализация и решение задачи выбора технологической базы на основе анализа геометрии обрабатываемых поверхностей с последующим использованием этой базы для проведения базирования. В 80-х годах прошлого столетия этот подход был реализован инструментальными методами Д.Т. Васильевым и его учениками при изготовлении турбинных лопаток. Но высказанные идеи в то время не могли быть разработаны в полной мере и использованы на практике из-за отсутствия на производстве вычис-

лительной техники, обладающей высоким быстродействием и достаточной оперативной памятью, а также высокоточной надежной измерительной аппаратуры и устройств, позволяющих проводить координатные измерения непосредственно на рабочем месте.

Совершенно очевидно, что базирование для обработки резанием неразрывно связано с распределением припуска по обрабатываемым поверхностям. Отметим, что при изготовлении детали, как правило, приходится не один раз обращаться к анализу припуска. Вначале для нахождения минимального припуска и, как следствие, определения размеров заготовки, а затем при механической обработке для распределения уже имеющегося (реального) припуска при установке заготовки.

Проблема определения минимального припуска на механическую обработку достаточно хорошо изучена. Для ее решения разработаны опытно-статистические, расчетно-аналитические и другие методы. Проблема распределения уже имеющегося (реального) припуска при установке заготовки изучена значительно меньше. Одной из основных задач, которую предлагают решать многие ученые-технологи, является обеспечение равномерности распределения припуска на обрабатываемых поверхностях, причем добиваться этого предлагается с помощью базирования с выверкой. С равномерным распределением припуска связано, по мнению А.А. Ма-талина, Б.С. Балакшина, Б.Л. Беспалова, И.М. Колесова и других ученых получение деталей наиболее точных геометрических форм.

Основным блоком алгоритма базирования с выверкой является контроль за положением заготовки и последующие ее перемещения. Эти операции повторяются многократно, что превращает базирование в чрезвычайно трудоемкую операцию и при этом не вполне учитывается распределение припуска по обрабатываемой поверхности, в связи с чем, например, на кованных заготовках около 30 % припуска отводится на устранение погрешности базирования и это при том, что затраты времени на выверку, закрепление деталей, пробные проходы составляют до 40 % оперативного времени. Однако, несмотря на огромные припуски на механическую обработку для заготовок ответственных изделий, известны случаи брака при использовании базирования с выверкой из-за неумения правильно определить, какое положение должна занимать заготовка.

В качестве альтернативы базированию с выверкой Ю.С. Сысоевым был разработан алгоритм базирования заготовки, установленной на домкратах карусельного станка, основанный на априорном определении параметров скрытой технологической базы, позволяющий определять величину и направление разовых перемещений заготовки при базировании. Принципиально новый подход к вопросам теории базирования, предложенный Ю.С. Сысоевым, состоял во введении понятий припуска в точке и функции распределения припуска. Кроме того, им было введено понятие оптимальной технологической базы, использование которой позволяет создать наиболее благоприятные условия для получения детали из заготовки. Оптимальное распределение припуска обладает тем свойством, что если из заготовки после механической обработки ее поверхностей, в принципе, возможно получение годной детали, то использование оптимальной технологической базы и оптимального распределения припуска гарантирует это.

Однако при построении методов оптимального базирования, во-первых, не учитывалось наличие избытка припуска, который всегда присутствует на заготовках ответственных деталей, и варьированием распределения которого можно добиваться получения после обработки поверхностей наиболее точных геометрических

форм; во-вторых, не рассматривались вопросы контроля конечного положения заготовки после проведения базирования и, в случае необходимости, корректировки этого положения.

Во второй главе «Общие принципы выбора скрытых технологических баз и их моделирование на основе анализа распределения припуска» разработаны общие принципы выбора скрытых технологических баз и математическая модель технологических баз, обеспечивающих наиболее точные геометрические формы обработанных поверхностей для изделий произвольной формы. На основе естественных теоретических посылок, подтвержденных результатами проведенных экспериментов, получены доказательства того, что наименьшие отклонения формы достигаются, в том случае, если при базировании добиваться логарифмически равномерного распределения припуска по черновым поверхностям заготовки.

Как уже отмечалось, одним из определяющих факторов, влияющих на качество геометрии поверхностей деталей, полученных механической обработкой, являются упругие деформации системы СПИД, порождающиеся силами резания Р , которые, в свою очередь, определяются режимами резания. Составляющие силы резания определяются по известной формуле:

где t - глубина резания; ^ - подача; v - скорость резания; Р2,Ру,Рх - тангенциальная, радиальная и осевая составляющие силы резания - постоянная силы резания; х, у и п - показатели степеней; - поправочный коэффициент.

Поскольку в рабочем диапазоне сил резания упругое смещение эле-

ментов технологической системы станка в направлении по нормали к обработанной поверхности пропорционально радиальной составляющей силы резания, определяемой по формуле (1), то при фиксированных скорости резания и подаче смещение будет пропорционально некоторой степени глубины резания:

где С - коэффициент пропорциональности.

Величина припуска на обработку детали определяет глубину резания. С другой стороны, припуск (а значит и глубина резания) не является постоянной величиной в пределах даже одной обрабатываемой поверхности. Следовательно, распределение припуска по обрабатываемой поверхности при фиксированных значениях

подачи и скорости резания определяет смещение В свою очередь, на рас-

пределение припуска в значительной степени влияет положение заготовки на технологическом оборудовании. Поэтому, достигнуть повышения точности геометрических форм готового изделия базированием можно, использованием технологической базы, обеспечивающей, по возможности, наименьшие упругие деформации элементов системы СПИД.

Обозначим через и наибольшую и наименьшую глубины резания

при механической обработке поверхностей, а через Утм и ут'т соответствующие упругие смещения элементов технологической системы станка. Естественно предположить, что наименьшего отклонения формы обработанной поверхности можно добиться в том случае, когда при обработке соответствующей черновой поверхности отношение наибольшего и наименьшего упругих смещений элементов технологической системы будет наименьшим, или, что то же самое, минимальным будет отношение ?maxAmin > определяемое распределением припуска. Это может быть достигнуто только в том случае, когда отношение наибольшей и наименьшей силы резания будет наименьшим.

Обозначим через О и СО соответственно заготовку и воображаемое изделие, получаемое из нее механической обработкой, через д(Т и дй) их полные поверхности; через - многомерный параметр, характеризующий технологическую базу, определяющую положение воображаемой детали в теле заготовки; а через z{M,8(0,Z) - припуск на обработку в точке М, принадлежащей поверхности да заготовки. Тогда уравнение технологической базы, обеспечивающей минимальное значение отношения наибольшего и наименьшего упругих смещений элементов системы СПИД, для изделий произвольной формы будет иметь вид:

max \n[z{M,d<±>, Z0)] -min ln[z(M,dá),Z0)]= =m_in[maxln[z(M,dco,Z)] -minIn[z(M,$»,Z)]]. (2)

Решение Z¡¡ уравнения (2) не всегда можно использовать в качестве параметров технологической базы для базирования заготовки. При нахождении необходимо учитывать возможность получения детали из заготовки, что достигается выполнением требования принадлежности детали телу заготовки и неравенства

min z{M,<%o,Z0)>h+Rz+£y, (3)

где h - глубина дефектного поверхностного слоя заготовки; Rz- высоту неровностей обрабатываемой поверхности; Еу - погрешности установки.

На последнее уравнение можно смотреть, как на оптимизационную задачу с ограничениями (3).

Распределение припуска по обрабатываемой поверхности будем называть логарифмически равномерным для рассматриваемых детали и заготовки, если вектор параметров технологической базы является решением оптимизационной задачи (2) с ограничениями (3).

Приведенные во второй главе описания экспериментов, методики их анализа и результаты экспериментов по обработке точением и фрезерованием цилиндрических и призматических заготовок соответственно при различных распределениях припуска, показали, что наименьшие отклонения формы поверхностей деталей при обработке резанием получают в том случае, когда припуск на соответствующих черновых поверхностях их заготовок распределен логарифмически равномерно;

кроме того, при приближении распределения припуска к логарифмически равномерному, отклонения формы поверхностей уменьшаются.

В третьей главе «Математические модели технологических баз, обеспечивающих логарифмически равномерное распределение припуска для заготовок наиболее распространенных изделий» разработаны математические модели технологических баз, обеспечивающих логарифмически равномерное распределение припуска по поверхности заготовок для наиболее распространенных в машиностроении изделий и алгоритм для их численного анализа.

Наиболее распространенными в машиностроительной практике являются цилиндрические изделия. На практике в качестве параметров, определяющих положение технологической базы для таких деталей, целесообразно принимать параметры оси (координаты точки м. , через которую проходит ось, и направляющего

вектора Р^ оси) изделия.

Обозначим через р(М,д(й,расстояние от точки М(х,у,г) до

оси, проходящей через точку параллельно вектору

Известно, что

Если черновая поверхность заготовки представляет собой наружную номинально цилиндрическую поверхность вала, а торцевые поверхности на рассматриваемой операции не обрабатываются, то поскольку выбор технологической базы фактически основан на погружении воображаемой детали в тело заготовки, то в качестве этой воображаемой детали целесообразно в данном случае выбирать вал идеальной цилиндрической формы, лежащий в теле заготовки и имеющий наибольший предельный радиус К, и торцевые поверхности, являющиеся частью торцевых поверхностей заготовки (рис. 1). Тогда, общая математическая модель (2) технологической базы перепишется в виде:

Последнее уравнение представляет собой оптимизационную задачу с ограничениями в виде требования принадлежности детали заготовке и неравенства

шт (р(М, да, (М0, Р,)) - К) > И + & + £.„

Меда '

вытекающего из неравенства (3).

Поскольку в реальных производственных условиях при базировании заготовок тяжелых крупногабаритных изделий для определения параметров технологической базы используются координатные методы, то для приближенного определения параметров технологической базы необходимо перейти к дискретному аналогу уравнения (4).

Если обозначить через И, () = 1,...,&|)- семейство точек на черновой поверхности заготовки, координаты которых измерены, то дискретный аналог оптимизационной задачи (4) примет вид:

м

zMéb.m/

Рис. 1. Схема для анализа распределения припуска при обработке резанием наружной цилиндрической поверхности

max ln[p(iV,, да, (Л/0, Ра))- Я]-тт \n[p(N,, да, (М0 Л ))-/?]=

= min (Wi А)

max ln[p(W,, да, (М,,?,))- R] -min ln[p(W,, да, (Л/,, Рх)) - Л]

N,

N,

(5)

На оптимизационную задачу (5) накладываются ограничениями в виде условия принадлежности точек телу заготовки и неравенства

min(p(W„ да, (М0, Р0)) - R) > h + Rz + е>.

Аналогично получаем математическую модель технологической базы для обработки внутренней цилиндрической поверхности. В этом случае общая математическая модель, описываемая уравнением (2), перепишется в частном виде:

„max 1п[г - р(М,да, (М0, Р0))]- min ln [г - р(М, да, (М0, Р0))]=

Меда

Medtr

= min <М|.Л>

max In[r - р(М, да, (М,, P¡))] - min ln[r - р(М,да, (М,, Рх ))]! (6)

Мегсг М era J

где г - наименьший предельный радиус детали.

На оптимизационную задачу (6) накладываются ограничения в виде требования принадлежности детали телу заготовки и неравенства

min (г - p(M, да, (М0 ,P0)))>h + Rz + ey,

вытекающего из неравенства (3).

Дискретный аналог уравнения (6) имеет вид:

(7)

а ограничениями к оптимизационной задаче (7) являются условие принадлежности точек N1 телу заготовки и неравенство:

m in(r - p(N, ,да,(М0,Р0)))> h + Rz + sy

я1

Математическая модель технологической базы при механической обработке одновременно как наружной, так и внутренней цилиндрических поверхностей заготовки также является частным случаем общей математической модели, описываемой уравнением (2), и имеет вид:

max[max(ln(p(M, да, (М0 ,P0))-R)~

да.са' Медаг

- min(\n(p(M,dco,(M0,P0))-R); max(ln(г-р(М',да)',(М0,Р0)))

Meca М едет

- min (In(r-p(M',cfo',(M0,P0m=

М ida

= min max[max(ln(p(M ,даЛМиРЛ)- R)-(М|,Л> га.га' Мчда

- min(ln{р(М,да,{М^)) - Я); max (ln(r - р(М',да',(М,, Pt))) -

Meöa M'zdo'

-mm{Hr-p{M',dco\{MuPM,

M еЗа

(8)

где К - наибольший предельный радиус наружной поверхности детали; г -наименьший предельный радиус внутренней поверхности детали; М- точки наружной поверхности Э<7 заготовки, при обработке которой получается наружная поверхность дй) обечайки; М' - точки внутренней поверхности да' заготовки, при обработке которой получается внутренняя поверхность доз' обечайки; р{М,дй),(МХ,РХ)) и р(Л/',£%у',(М1,/'|)) - расстояние от точек М и Л/'соот-ветственно до оси, определяющей технологическую базу.

Полученное уравнение (8) так же представляет собой оптимизационную задачу с ограничениями, которые в общем случае описываются выражением (3) и условием, что воображаемая деталь указанных выше размеров К и г лежит в теле заготовки. Для данного случая, неравенство (3) преобразуется в систему:

m in (p(M, da, (Mt, P0)) - R) > h + Rz + £.;

Medff

min {r-p(M',da',(MQ,P0)))>h + Rz + £r

Дискретный аналог уравнения (8) имеет вид

max[max(ln(p(jV,, да, (Л/0, Р0)) - R) -

N, Nj

-mm(\n(r-p(N'j,da',(M0, ?„)))]= nj

= min max[max(ln(p(jV,,да,(Af,,Pt))-R)~

(А/|Д) да,да' N,

- min(!n (p(N„d(o, (Л/,, Pt))- Л); max(ln(r - piN'^da'^M,, P,))) -

N, Nj

-mM\n{r-p{N),da\{Mj,)))l

(9)

где Jf,(i = 1.....к,) И N'j(j = 1.....

семейства точек на наружной и внутрен-

ней черновых поверхностях заготовки, соответственно.

Ограничения оптимизационной задачи (9) включают в себя систему неравенств

и условие принадлежности точек и телу заготовки

Кроме деталей, ограниченных поверхностями вращения, в тяжелом машиностроении широко применяются и изделия, заготовки которых имеют призматическую форму.

В случае обработки заготовок призматических изделий с плоскими поверхностями- воображаемой деталью, погружаемой в тело заготовки при выборе технологической базы, целесообразно считать призматическую деталь идеальной формы с наибольшими предельными размерами (рис.2). Обозначим Рис. 2 Схема для анализа распределения припуска

на поверхности призматической заготовки

через g, f и h - длину, ширину и высоту готовой детали. Аналогично рассмотренным выше случаям обозначим через и - заготовку призматического изделия, ограниченную номинально плоскими поверхностями 8(Г[,...,да6, через ди - ее полную поверхность; через - изготавливаемая деталь, - ее полная поверхность с гранями да ......дсо^ .Введем векторы нормалей граней N^, N2,

так что нормаль N\ ортогональна граням д(0\ и д(й2 > N2 ~ гРаням и > а - граням д(0$ и да$ . С учетом сказанного, положение призматического тела с заданными размерами полностью определяется положением его центра тяжести Q(x, у, z) и тремя нормалями N\, N2,

Если обозначить через р(М, да, Z) - расстояние от точки М поверхности заготовки до соответствующей грани призматической детали, то припуск г(М, да, Z) в каждой точке призматической заготовки будет определяться расстоянием p[M,da,Z) .С учетом этих обозначений математическая модель (2) технологической базы, обеспечивающей логарифмически равномерное распределение припуска, для данного случая примет вид:

шах 1п[г(А/,да, Z0)]- min In[z{M,да,Z0)]=

И gcj Мъёа

=mjn[ max max \n[p{M udal,Z)-,

p(M2,da2,Zy, p(M 3 ,da3,Z)-, p(M4 ,дсо4,2);р(М5,дсо},г); p(M 6,da6,Z)]~ min min ln[p(A/j,dau Z); р{Мг, да2, Z);

с f'iTj er 1T4; Л/5 £^(75, М^сда^

p(M2, да3, Z); р{Мь, да4, Z); р(М5, даъ, Z); р(М6, да6, Z)]]. (10)

С учетом требования принадлежности призматической детали заготовке уравнение (10) является оптимизационной задачей с ограничениями (3), которые преобразуются в неравенство:

min р(М, дсо, Z)>k+Rz+sy.

При решении практических задач с использованием полученных уравнений (5), (7), (9) и (10) итерационными методами, возникает вопрос о выборе первоначального положения параметров искомой оси. Понятно, что эти параметры должны обеспечивать размещение детали в теле заготовки, если это возможно. В противном случае, задача выбора технологической базы, обеспечивающей логарифмически равномерное распределение припуска, теряет смысл. Поэтому в качестве начальной точки итераций необходимо принимать параметры, характеризующие положение оптимальной технологической базы.

Поскольку целевые функции, построенные для определения параметров технологических баз, обеспечивающих логарифмически равномерное распределение припуска, имеют «овражную» структуру, однократное применение метода Нелде-ра-Мида одновременно по всем параметрам оптимизации не позволяет достигать

требуемой точности. Поэтому для численного анализа математических моделей было предложено использовать алгоритм Нелдера-Мида в качестве шага итераций в итерационном процессе, с установкой на каждом шаге своего набора параметров оптимизации.

В четвертой главе «Разработка практических методов базирования» предложены основанные на сформулированных и обоснованных в предыдущих главах теоретических положениях практические рекомендации по базированию заготовок крупногабаритных корпусных деталей.

Для того чтобы определить параметры технологической базы, обеспечивающей логарифмически равномерное распределение припуска, по известной методике проводились измерения координат точек, представляющих реальную поверхность заготовки, причем в качестве координатно-измерительной машины использовался токарно-карусельный станок типа «обрабатывающий центр». После нахождения параметров технологической базы, определялись величины и направления разовых перемещений заготовки для ее приведения в требуемое положение на станке.

Одним из важных вопросов, который приходится решать при проведении базирования крупногабаритных цилиндрических заготовок, является вопрос о контроле положения заготовки после проведения базирования. В настоящей работе предложена методика контроля положения и расчета корректирующих перемещений заготовки по результатам измерений координат трех фиксированных точек, выбранных из всего семейства точек, определяющих черновую поверхность заготовки.

Обозначим через материализованные точки тела за-

готовки, не лежащие на одной прямой, координаты которых измерены в системе координат станка до перемещения, через те же точки, ко-

ординаты которых измерены после перемещения. Кроме того, обозначим через = направляющий вектор оси и М0 (*о>.Уо>^о) точку, через кото-

рую проходит ось, до перемещения заготовки, а через и

- указанные параметры оси после перемещения. Тогда координаты точки и вектора будут определяться выражениями:

где - координаты вектора

- коэффициенты, которые являются решением систем:

'(x2 -*,)<*, + (л3 + ру\ = x0 ~xi>

(У2 ~У{)а1 +(>з ~УОР\ + 4Y\ = Уо~Уи (z2 - г, )в| + (z3 - г, + гу{ = z0 - z,,

(х2 - х, )а2 + (*3 - х, )Рг + ру2 = /0;

0*2 -)«2 + {Уг~У\)р2 +W2 =«о; (z2 -z,)а2 + (z3 -z,)Рг +гу2=п0.

Здесь д,г -координаты вектора N = М\М2хМ\М^

В качестве критерия оценки точности базирования выступает неравенство:

где Я- высота заготовки.

Положения, изложенные в главах настоящей диссертации, позволили создать пакет программ для информационного сопровождения процесса базирования при механической обработке номинально цилиндрических поверхностей крупногабаритных корпусных деталей. Этот программный продукт подготовлен в среде Delphi и позволяет: сформировать базу данных деталей; решить соответствующие оптимизационные задачи и тем самым определить параметры оптимальной технологической базы заготовки и параметры технологической базы, обеспечивающей логарифмически равномерное распределение припуска; рассчитать величины и направления перемещений заготовки при базировании; провести контроль положения заготовки и расчет корректирующих перемещений.

Необходимость обеспечения надежности и долговечности крупногабаритных корпусных изделий тяжелого и атомного машиностроения требует повышения точности геометрической формы поверхностей этих изделий при обработке резанием на то-карно-карусельных станках и обрабатывающих центрах. На точность формы изделий, получаемых механической обработкой, существенное влияние оказывает распределение припуска по обрабатываемым поверхностям и базирование их заготовок.

Существующие способы распределения припуска не в полной мере отвечают требованию обеспечения точности геометрических форм поверхностей деталей. Учитывая это, в работе сформулирован новый критерий для распределения припуска посредством базирования заготовки для ее механической обработки относительно технологической базы, обеспечивающей такое его распределение, которое позволяет уменьшить отклонения формы обработанных поверхностей.

1. Установлено, что:

а) наименьшие отклонения формы поверхности детали при обработке резанием получают в том случае, когда припуск на соответствующей черновой поверхности ее заготовки распределен логарифмически равномерно;

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

б) при приближении распределения припуска к логарифмически равномерному, отклонения формы поверхности уменьшаются.

2.'Разработана общая математическая модель скрытой технологической базы для изделий произвольной формы, обеспечивающей логарифмически равномерное распределение припуска на обрабатываемой поверхности, на первой операции механической обработки. Рассмотрены частные случаи общей математической модели для изделий, наиболее часто встречающихся в машиностроительной практике.

3. Построены дискретные аналоги для математических моделей скрытых технологических баз, обеспечивающих логарифмически равномерное распределение припуска базированием, а также разработаны алгоритмы и программы для практического анализа этих моделей для реальных изделий.

4. Разработанная методика контроля и корректировки конечного положения крупногабаритных цилиндрических заготовок при проведении базирования для механической обработки на токарно-карусельных станках и обрабатывающих центрах позволяет добиваться совмещения технологической базы с осью вращения планшайбы станка с наперед заданной точностью.

5. Разработанный пакет программ дает возможность получить полное информационное обеспечение всего комплекса подготовительных операций, необходимых перед механической обработкой крупногабаритной цилиндрической заготовки: от входного контроля до определения величин и направлений разовых перемещений заготовки для приведения ее в требуемое положение на технологическом оборудовании, включая контроль конечного положения заготовки и его корректировку.

6. Уменьшение отклонений формы поверхностей обработанных деталей при использовании предложенной методики достигает 50 % величины отклонений формы, получаемых при других способах базирования, при сохранении временных затрат на установку заготовки по сравнению с оптимальным базированием и уменьшением этих затрат более чем в 3 раза по сравнению с базированием с выверкой. Направленное регулирование припуска в отдельных случаях позволяет уменьшить почти в 2 раза оперативное время механической обработки.

7. Результаты исследований, представленные в виде программного продукта, внедрены в производство. Годовой экономический эффект от внедрения составил 511591,2 руб.

Основные материалы диссертационной работы изложены в следующих публикациях.

1. Сысоев Ю.С., Федотов А.Г., Томилин С.А. Оптимизация распределения припуска для повышения точности изготовления детали // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Междунар. сб. науч. тр. - Донецк: ДонГТУ, 2002. -Вып. 22.- С. 75-79.

2. Сысоев Ю.С., Федотов А.Г., Томилин С.А. Повышение точности формы детали путем распределения припуска посредством базирования // СТИН. - 2003. -№9.-С.28-32.

3. Томилин С А. Повышение точности формы призматических деталей посредством оптимизации распределения припуска // Машиностроение и техносфера XXI века: Сб. тр. междунар. науч.-техн. конф. в г. Севастополе, 8-14 сент. 2003 г.: В 4-х т. - Донецк: ДонНТУ, 2003. - Т. 3. - С. 209 - 213.

4. Сысоев Ю.С., Томилин С.А. Повышение точности обработки резанием поверхностей крупногабаритных цилиндрических изделий // Технологическое обеспечение качества машин и приборов: Сб. материалов всерос. науч.-практ. конф.-Пенза: ПДЗ, 2004.-С. 112- 115

5. Сысоев Ю.С., Томилин С.А., Симакова Н.А. Автоматизация контрольных и подготовительных операций при механической обработке крупногабаритных корпусных деталей // Машиностроение и техносфера XXI века: Сб. тр. междунар. науч.-техн. конф. в г. Севастополе, 13-18 сент. 2004 г.: В 4-х т. - Донецк: Дон-НТУ, 2004.-Т. 3.-С. 182-185.

6. Маневич В.В., Томилин СА., Сысоев Ю.С. Контроль конечного положения крупногабаритных цилиндрических заготовок при их базировании для механической обработки // Современные технологии в машиностроении: Сб. ст. VIII всерос. науч.-практ. конф. - Пенза: ПДЗ, 2004. - С. 94-97

7. Томилин С.А. Использование математического моделирования при базировании крупногабаритных заготовок корпусных цилиндрических изделий // Материалы и технологии XXI века: Сб. ст. III междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: ПДЗ, 2005.-С. 160-163.

8. Томилин СА., Симакова НА., Сысоев Ю.С. Модели, алгоритмы и программы для анализа формы и базирования заготовок призматических изделий // Материалы и технологии XXI века: Сб. ст. III междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: ПДЗ, 2005.-С. 163-167.

9. Сысоев Ю.С, Томилин С.А. Математические методы определения избытка припуска на поверхности заготовок крупногабаритных изделий // Материалы и технологии XXI века: Сб. ст. III междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: ПДЗ, 2005.-С. 167-171.

10. Томилин С.А. Уменьшение отклонений формы деталей при их изготовлении фрезерованием // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. -2004. - Прил. №5. -С. 72-76.

11. Томилин С А. Повышение точности формы деталей посредством распределения припуска базированием // Фундаментальные и прикладные проблемы современной техники: Сб. работ лауреатов конкурса молодых ученых им. акад. И.И. Воровича - Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 2004. - Вып. 8. - С. 124 -134.

12. Сысоев Ю.С, Томилин С.А. Базирование заготовок крупногабаритных цилиндрических деталей для обработки резанием // Изв. вузов. Машиностроение. -2004.-№1. - С. 53-59.

13. Маневич В.В., Томилин С.А., Сысоев Ю.С. Контроль и корректировка положения крупногабаритной цилиндрической заготовки при ее базировании // Изв. вузов. Машиностроение.-2004. -№12. -С. 41-45.

Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве: [1,2] - разработаны математические модели технологических баз, обеспечивающих равномерное и логарифмически равномерное распределения припуска, проведена их дискретизация и численный анализ, а так же подготовлены и проведены эксперименты, обработаны их результаты; [4] - подготовлены и проведены эксперименты, направленные на сравнение отклонений формы деталей при различных распределениях припуска при обработке крупногабаритных заготовок, и обработаны их результаты; [5] - разработан комплекс программ для информационного сопровождения подготовительных операций; [6,13] - разработана методика контроля точности базирования крупногабаритных цилиндрических заготовок и программный продукт для ее практической реализации; [8] - разработаны математические модели, численные методы и комплекс программ для проведения базирования; [9,12] - разработаны математические модели технологических баз и их дискретные аналоги для реальных изделий, разработан численный метод для анализа построенных моделей.

ОМ&-ОМЗ

ТОМИЛИН СЕРГЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА БАЗИРОВАНИЯ ЗАГОТОВОК КРУПНОГАБАРИТНЫХ КОРПУСНЫХ ИЗДЕЛИЙ НА ПЕРВОЙ ОПЕРАЦИИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Отпечатано на ризографе с ориги/ал-^акета автора Объем 1,0 у.п.л. Тираз^ 1 офэ*з. 5 }

I

19 МАЙ 2005 ^

С 5 ** ?

/

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИПУСКА И БАЗИРОВАНИЯ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ КОРПУСНЫХ ИЗДЕЛИЙ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Особенности производства крупногабаритных корпусных изделий

1.2. Анализ результатов научных исследований и рекомендаций нормативных документов

1.3. Цель и задачи работы

2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА СКРЫТЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ БАЗ И ИХ МОДЕЛИРОВАНИЕ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИПУСКА

2.1. Распределение припуска крупногабаритных заготовок базированием при их механической обработке

2.2. Математические модели технологических баз, обеспечивающих различные распределения припуска для изделий произвольной формы

2.3. Сравнение отклонений формы деталей, полученных механической обработкой заготовок при различных распределениях припуска

2.3.1. Сравнение отклонений формы номинально цилиндрических деталей при обработке точением

2.3.2. Сравнение отклонений формы номинально призматических деталей при обработке фрезерованием 55 Выводы по главе

3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ БАЗ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ЛОГАРИФМИЧЕСКИ РАВНОМЕРНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИПУСКА ДЛЯ ЗАГОТОВОК НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ

3.1. Математическая модель технологической базы при обработке номинально цилиндрической поверхности

3.2. Математическая модель технологической базы при обработке наружной и внутренней номинально цилиндрических поверхностей обечайки

3.3. Математическая модель технологической базы при обработке поверхностей заготовок номинально призматических изделий

3.4. Алгоритм для анализа математических моделей технологических баз 85 Выводы по главе

4. РАЗРАБОТКА ПРАКТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ БАЗИРОВАНИЯ

4.1. Измерения координат точек поверхности заготовки

4.2. Расчет величин и направлений разовых перемещений заготовки для проведения базирования

4.3. Контроль конечного положения заготовки и его корректировка

4.4. Разработка пакета программ для информационного обслуживания операции базирования

4.5. Пример проведения базирования реального изделия 128 Выводы по главе 4 135 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

Современный этап развития техники и технологий характеризуется значительным повышением требований к качеству изделий машиностроения. Это объясняется, прежде всего, необходимостью повышения надежности работы оборудования, что особенно важно на объектах энергетических, химических и других опасных производств, аварии на которых вследствие отказов оборудования представляют серьезную опасность для человечества. Надежность такого оборудования закладывается и в большей степени обеспечивается при его изготовлении. По данным НПО «Энергия» из 215 поврежденных атомных электростанций вина заводов-изготовителей составляет около 30%.

Наиболее трудоемкими в изготовлении являются корпусные изделия, такие как, корпуса ядерных реакторов ВВЭР - 1000 и ACT - 500, парогенераторов ПГВ - 1000, эллиптические и сферические крышки реакторов, котлы высокого давления, колонны мощных гидравлических прессов, криогенные установки, цементные печи и др. Все эти изделия проходят сложный процесс изготовления от получения заготовки до механической обработки их поверхностей и сборки. Каждый из этапов их производства имеет свои особенности и сложности, обусловленные, прежде всего, большими размерами изделий и повышенными требованиями к безотказности их работы.

Одной из наиболее сложных задач, которую приходится решать инженерам-технологам, является задача повышения точности формы крупногабаритных корпусных изделий тяжелого и, в том числе, атомного машиностроения. Значительные отклонения геометрических форм приводят к снижению качества сварных швов, появлению брака при сборке, повышению вероятности отказов при функционировании, что является недопустимым для таких изделий.

Стремление обеспечить требуемую точность формы является одной из причин завышенных припусков на механическую обработку заготовок крупнегабаритных изделий, увеличения оперативного времени на обработку за счет применения малой толщины срезаемого за один проход слоя, и как следствие, завышения числа проходов при обработке резанием. Все это неизбежно приводит к снижению эффективности расхода материала, производительности труда, и как следствие, повышению себестоимости продукции, что является недопустимым в современных экономических условиях.

Настоящая диссертационная работа посвящена решению научной проблемы в области технологии производства крупногабаритных изделий энергетического машиностроения, состоящей в разработке как теоретических положений, так и практических рекомендаций, позволяющих повысить точность геометрических форм крупногабаритных корпусных изделий посредством специального распределения припуска базированием при механической обработке резанием поверхностей их заготовок.

Работа выполнена в рамках приоритетного направления развития науки, технологий и техники Российской Федерации (Пр - 577 от 30.03.2002 г.) «Производственные технологии». Производственной базой для проведения исследований с учетом территориальной близости выбрано ОАО «ЭМК -Атоммаш». Это предприятие располагает уникальным специализированным оборудованием, а его инженерно-технические службы накопили богатый опыт в области технологии изготовления крупногабаритного корпусного оборудования. Тесное сотрудничество с заводскими специалистами позволило сформулировать, обобщить и решить многие нужные для производства задачи. Непосредственное участие в проведении исследований и их обсуждении принимали А.Г. Федотов, В.В. Маневич, В.Ш. Магдеев и др.

Новизна научных результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем.

1. Установлено, что наименьшие отклонения формы при механической обработке получаются в случае логарифмически равномерного распределения припуска по поверхности заготовки.

2. Получена общая математическая модель скрытых технологических баз для заготовок изделий произвольной формы, обеспечивающих логарифмически равномерное распределение припуска по черновым поверхностям заготовок, и ее частные случаи для наиболее часто встречающихся на практике крупногабаритных изделий.

3. Разработан алгоритм для анализа построенных математических моделей, представляющих собой оптимизационные задачи с ограничениями и целевыми функциями, обладающими сильно выраженной овражной структурой.

4. Разработана новая методика контроля и корректировки положения крупногабаритных цилиндрических заготовок на карусельных станках и обрабатывающих центрах при проведении базирования.

Научная значимость работы состоит в том, что в ней предложен принципиально новый подход к анализу распределения припуска базированием, что является одним из важнейших моментов в технологии изготовления корпусных изделий.

Практическая значимость работы заключается в создании и внедрении системы информационного обслуживания одной из основных и наиболее сложных и трудоемких технологических операций механической обработки крупногабаритных корпусных цилиндрических изделий на токарно-карусельных станках и обрабатывающих центрах - операции базирования при отсутствии явных технологических баз.

На защиту выносятся следующие основные положения работы:

1. Общий принцип распределения припуска, позволяющего добиваться наименьших отклонений формы при обработке резанием, а так же общая математическая модель скрытой технологической базы, обеспечивающей логарифмически равномерное распределение припуска по поверхности заготовки изделия произвольной формы базированием при отсутствии явных технологических баз.

2. Математические модели скрытых технологических баз, обеспечивающих логарифмически равномерное распределение припуска по поверхностям заготовок, наиболее часто встречающихся на практике крупногабаритных изделий тяжелого и атомного машиностроения, и алгоритмы процедур для определения параметров этих баз по результатам координатных измерений.

3. Методика контроля и корректировки положения крупногабаритных цилиндрических заготовок при их базировании на технологическом оборудовании.

Теоретические, методические и программные разработки нашли практическое применение в ОАО «ЭМК - Атоммаш». На этом предприятии в рамках договора о творческом сотрудничестве № 105 - 002 «Автоматизация подготовительных и контрольных операций при изготовлении корпусных изделий» от 18.10.2002 г. испытана и внедрена в производство система для информационного обслуживания подготовительных операций при механической обработке крупногабаритных корпусных цилиндрических изделий. Ожидаемый экономический эффект от внедрения указанной системы составляет свыше 0,5 млн. рублей за счет снижения времени на установку и базирование заготовки и уменьшения оперативного времени.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на:

1) X - XI международных научно-технических конференциях «Машиностроение и техносфера XXI века» в г. Севастополе (2003 и 2004 г.);

2) всероссийской научно-практической конференции «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» в г. Пензе (2004 г.);

3) VIII всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» в г. Пензе (2004 г.);

4) III международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» в г. Пензе (2005 г.);

5) научно-технических семинарах АГТУ (г. Астрахань, 2004 г.) и ДГТУ (г. Ростов-на-Дону, 2005 г.);

6) кафедрах прикладной математики (ЮРГТУ (НПИ), г. Новочеркасск, 2005 г.), математики, информационных и управляющих систем, технологии машиностроения (ВИ(ф) ЮРГТУ (НПИ), г. Волгодонск, 2003 - 2005 г.).

По материалам диссертации опубликовано 13 работ, из них 5 научных статей (в том числе 2 без соавторов), 8 докладов на научных конференциях (в том числе 2 без соавторов).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

Необходимость обеспечения надежности и долговечности крупногабаритных корпусных изделий тяжелого и атомного машиностроения требует повышения точности геометрической формы поверхностей этих изделий при обработке резанием на токарно-карусельных станках и обрабатывающих центрах. На точность формы изделий, получаемых механической обработкой, существенное влияние оказывает распределение припуска по обрабатываемым поверхностям и базирование их заготовок.

Существующие способы распределения припуска не в полной мере отвечают требованию обеспечения точности геометрических форм поверхностей деталей. Учитывая это, в работе сформулирован новый критерий для распределения припуска посредством базирования заготовки для ее механической обработки относительно технологической базы, обеспечивающей такое его распределение, которое позволяет уменьшить отклонения формы обработанных поверхностей.

1. Установлено, что: а) наименьшие отклонения формы поверхности детали при обработке резанием получают в том случае, когда припуск на соответствующей черновой поверхности ее заготовки распределен логарифмически равномерно; б) при приближении распределения припуска к логарифмически равномерному, отклонения формы поверхности уменьшаются.

2. Разработана общая математическая модель скрытой технологической базы для изделий произвольной формы, обеспечивающей логарифмически равномерное распределение припуска на обрабатываемой поверхности, на первой операции механической обработки. Рассмотрены частные случаи общей математической модели для изделий, наиболее часто встречающихся в машиностроительной практике.

3. Построены дискретные аналоги для математических моделей скрытых технологических баз, обеспечивающих логарифмически равномерное распределение припуска базированием, а также разработаны алгоритмы и программы для практического анализа этих моделей для реальных изделий.

4. Разработанная методика контроля и корректировки конечного положения крупногабаритных цилиндрических заготовок при проведении базирования для механической обработки на токарно-карусельных станках и обрабатывающих центрах позволяет добиваться совмещения технологической базы с осью вращения планшайбы станка с наперед заданной точностью.

5. Разработанный пакет программ дает возможность получить полное информационное обеспечение всего комплекса подготовительных операций, необходимых перед механической обработкой крупногабаритной цилиндрической заготовки: от входного контроля до определения величин и направлений разовых перемещений заготовки для приведения ее в требуемое положение на технологическом оборудовании, включая контроль конечного положения заготовки и его корректировку.

6. Уменьшение отклонений формы поверхностей обработанных деталей при использовании предложенной методики достигает 50 % величины отклонений формы, получаемых при других способах базирования, при сохранении временных затрат на установку заготовки по сравнению с оптимальным базированием и уменьшением этих затрат более чем в 3 раза по сравнению с базированием с выверкой. Направленное регулирование припуска в отдельных случаях позволяет уменьшить почти в 2 раза оперативное время механической обработки.

7. Результаты исследований, представленные в виде программного продукта, внедрены в производство. Годовой экономический эффект от внедрения составил 511591,2 руб.

1. Технология тяжелого машиностроения / С.И. Самойлов,

2. B.М. Горелов, В.М. Браславский и др. М.: Машиностроение, 1967. - 596 с.

3. Будов В.М., Фарафонов В.А. Конструирование основного оборудования АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 264 с.

4. Соколовский А.П. Жесткость в технологии машиностроения. — М-JL: Машгиз, 1946.-207 с.

5. Маталин А.А. Технология механической обработки. Д.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1977. - 464 с.

6. Ящерицын П.И., Рыжов Э.В., Аверченков В.И. Технологическая наследственность в машиностроении. Минск: Наука и техника, 1977. - 256 с.

7. Кован В.М. Основы технологии машиностроения. М.: Машгиз, 1959.-494 с.

8. Сысоев Ю.С., Маневич В.В. Установка крупногабаритных заготовок при их механической обработке // Вестник машиностроения. 1998. — №6.1. C.14- 19.

9. Сысоев Ю.С. Базирование, припуски и контроль формы заготовок // Измерительная техника. 2001. - №9 - С. 34 -37.

10. Семенов Е.И. Приоритеты в развитии машиностроения // Вестник машиностроения. 1989. - №9 - С.55 - 56.

11. Балакшин Б.С. Основы технологии машиностроения.- М.: Машиностроение, 1966. 556 с.

12. Колесов И.М. Основы технологии машиностроения: Учеб. для ма-шиностроит. спец. вузов. 2-е изд., испр. — М.: Высш. шк., 1999.- 591 с.

13. Корсаков B.C. Основы технологии машиностроения. М.: Высш. шк., 1974.-335 с.

14. Косилова А.Г., Мещеряков Р.К., Калинин М.А. Точность обработки, заготовки и припуски в машиностроении. М.: Машиностроение, 1976. -288 с.

15. Технология машиностроения (спец. часть) / Б.Л.Беспалов, Л.А. Глейзер, И.М. Колесов и др. М.: Машиностроение, 1973. - 448 с.

16. Технология машиностроения (спец. часть): Учеб. для машиностро-ит. спец. вузов /А.А. Гусев, Е.Р. Ковальчук, И.М. Колесов и др.- М.: Машиностроение, 1986 479 с.

17. Технология машиностроения. В 2-х т. Т. 1. Основы технологии машиностроения: Учебник для вузов / В.М. Бурцев, А.С. Васильев, A.M. Даль-ский и др; Под ред. A.M. Дальского М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998.-564 с.

18. Технология машиностроения. В 2-х т. Т. 2. Производство машин: Учебник для вузов / В.М. Бурцев, А.С. Васильев, A.M. Дальский и др.; Под ред. Г.Н. Мельникова М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1998. - 640 с.

19. Гипп Н.Б. Исследование погрешности измерения отклонений от круглости и погрешности центрирования крупногабаритных цилиндрических деталей. Автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.11.01. -М., 1982. -28 с.

20. Колесов И.М. Исследование связей между формой, поворотом и расстоянием плоских поверхностей деталей машин. Автореф. дис. . докт. техн. наук: 05.02.08. М., 1967. - 36 с.

21. Шаев Е.Я. Исследование влияния отклонений формы поверхностей деталей на их положение в машине. Автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.11.01.-М., 1980.-25 с.

22. ГОСТ 21495 76. Базирование и базы в машиностроении. Термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 1976. — 35 с.

23. Сысоев Ю.С. Уточнение некоторых базовых понятий, используемых в машиностроении // Измерительная техника. 2002. - № 9 - С. 21 —23.

24. Пашкевич М.Ф. О базировании и базах в машиностроении и положениях ГОСТ 21495 76 // Изв. вузов. Машиностроение. - 1995. - №4-6.-С. 87-91.

25. Васильев Д.Т. Технологические проблемы в производстве крупногабаритных деталей // Прогрессивные технологические процессы в атомном машиностроении: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф., г. Волгодонск, январь 1981 г.-М., 1981. — С 7 9.

26. Кован В.М. Расчет припусков на обработку в машиностроении: Справ, пособие. -М.: Машгиз, 1953. 208 с.

27. Фираго В.П. Поправка к методикам расчета припусков на обработку // Вестник машиностроения. 1967. - № 2 — С.61 - 63.

28. Панкратов М.П., Микитянский В.В., Калинин М.А. По поводу статьи д-ра техн. наук проф. В.П. Фигаро «Поправка к методикам расчета припуска на обработку» // Вестник машиностроения. 1968. - № 12 — С.58 — 61.

29. Михайлов А.Н. К вопросу назначения припусков и повышению качества поверхностного слоя и эффективности обработки изделий // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Междунар. сб. науч. тр. -Донецк: ДонГТУ, 2003. Вып. 24. - С. 103 - 120.

30. Маталин А.А. Технология машиностроения: Учеб. для машино-строит. вузов по спец. «Технология машиностроения, металлорежущие станки и интсрументы». JL: машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985. - 496 с.

31. Дальский A.M. Технологическое обеспечение надежности высокоточных деталей машин. М.: Машиностроение, 1975. - 223 с.

32. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.1 / Под ред. А.М. Дальского, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова, А.Г. Суслова. 5-е изд., перераб. и доп. - М: Машиностроение - 1, 2001. - 912 с.

33. Ансеров М.А. Приспособления для металлорежущих станков: Расчеты и конструкции. Изд. 3-е, стереотип. М.: Машиностроение, 1966. 650 с.

34. Краткий справочник технолога тяжелого машиностроения / И.В. Маракулин, А.П. Бунец, В.Г. Коринюк. М.: Машиностроение, 1987. -464 с.

35. Подъемно-транспортная система базирования крупногабаритных цилиндрических изделий/ Ю.С. Сысоев, В.В. Синелыциков, П.Д. Кравченко,

36. B.В. Маневич// Проблемы технической безопасности подъемных сооружений: Тез. докл. Рос. науч.-практ. конф., 19-22 сен. 1995 г. Новочеркасск, 1995.-С. 12.

37. Кравченко П.Д., Ольховский B.C. Подвесные манипуляторы-кантователи в атомном машиностроении // Подъемно-транспортная техника и склады. 1989. - № 6. - С.8 - 11.

38. Кравченко П.Д. и др. Выбор конструктивной схемы и оптимизация грузозахватных устройств манипулятора для крупногабаритных эллипсоидных днищ. Деп. ЦНИИТЭИТЯЖМАШ. 15.03.1988. № 37-ТМ88.

39. Станочные приспособления: Справочник. В 2-х т. / Ред. Совет: Б.Н. Вардашкин и др. М.: Машиностроение, 1984 - Т.1/ Под. ред. Б.Н. Вардаш-кина, В.В. Данилевского. 1984. - 592 с.

40. Станочные приспособления: Справочник. В 2-х т. / Ред. Совет: Б.Н. Вардашкин и др. М.: Машиностроение, 1984 - Т.2/ Под. ред. Б.Н. Вардаш-кина, В.В. Данилевского. 1984. - 656 с.

41. Ильицкий В.Б., Микитянский В.В., Сердюк Л.М. Станочные приспособления. Конструкторско-технологической обеспечение эксплуатационных свойств. М.: Машиностроение, 1989. - 208 с.

42. Кутовой Л.В., Шелуханов В.П. К вопросу о повышении точности обработки тяжелых деталей на токарных станках // Изв. вузов. Машиностроение. 1987. - №7. - С. 122 - 126.

43. Микитянский В.В. Точность приспособлений в машиностроении. — М.: Машиностроение, 1984. 128 с.

44. Сысоев Ю.С. Ориентация крупногабаритных цилиндрических изделий при их обработке // Вестник машиностроения 1996. - №3. - С.39 - 41.

45. Скворцов А.В., Семенов А.В. Расчет коррекции положения детали на станке при обработке // Изв. вузов. Машиностроение. 1987. — №7. —1. C. 112-116.

46. Сысоев Ю.С., Федотов А.Г., Томилин С.А. Оптимизация распределения припуска для повышения точности изготовления детали // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Междунар. сб. науч. тр. — Донецк: ДонГТУ, 2002. Вып. 22. - С. 75 - 79.

47. Сысоев Ю.С., Федотов А.Г., Томилин С.А. Повышение точности формы детали путем распределения припуска посредством базирования // СТИН. 2003. - №9. - С.28 - 32.

48. Сысоев Ю.С., Томилин С.А. Базирование заготовок крупногабаритных цилиндрических деталей для обработки резанием // Изв. вузов. Машиностроение. -2004. -№1. С. 53-59.

49. Сысоев Ю.С., Томилин С.А. Повышение точности обработки резанием поверхностей крупногабаритных цилиндрических изделий // Технологическое обеспечение качества машин и приборов: Сб. материалов Всерос. науч.-практ. конф. Пенза: ПДЗ, 2004. - С.112 - 115.

50. Томилин С.А. Уменьшение отклонений формы деталей при их изготовлении фрезерованием // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. — 2004. Прил. № 5. - С. 72 - 76.

51. Маневич В.В., Томилин С.А., Сысоев Ю.С. Контроль и корректировка положения крупногабаритной цилиндрической заготовки при ее базировании // Изв. вузов. Машиностроение. — 2004. №12. - С. 41 - 45.

52. Томилин С.А. Использование математического моделирования при базировании крупногабаритных заготовок корпусных цилиндрических изделий // Материалы и технологии XXI века: Сб. ст. III междунар. науч.-техн. конф. Пенза: ПДЗ, 2005. - С. 160 - 163.

53. Томилин С.А., Симакова Н.А., Сысоев Ю.С. Модели, алгоритмы и программы для анализа формы и базирования заготовок призматических изделий // Материалы и технологии XXI века: Сб. ст. III междунар. науч.-техн. конф. Пенза: ПДЗ, 2005. - С. 163 - 167.

54. Сысоев Ю.С., Томилин С.А. Математические методы определения избытка припуска на поверхности заготовок крупногабаритных изделий // Материалы и технологии XXI века: Сб. ст. III междунар. науч.-техн. конф. -Пенза: ПДЗ, 2005. С. 167 - 171.

55. ГОСТ 3.1109 82. Термины и определения основных понятий. — М.: Изд-во стандартов, 1985. - 18 с.

56. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.2 / Под ред. A.M. Дальского, А.Г. Суслова, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова. 5-е изд., перераб. и доп. - М: Машиностроение - 1, 2001. - 944 с.

57. Справочник по технологии резания материалов. Т.1. / Под ред. Г. Шпура, Т. Штеферле М: Машиностроение, 1985. - 614с.

58. ГОСТ 24642 81. Допуски формы и расположения поверхностей. Основные термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1990. - 68 с.

59. Гебель И.Д. Инвариантные свойства отклонения профиля от круглой формы // Измерительная техника. 1978. - № 11. - С. 16-19.

60. Spragg R.C. Accurat Calibration of Surface Texture and roundness Measuring Instruments // Proc. Inst. Mech. Engrs. 1967 - 1968. - V. 182. - Pt. 3k.-P. 497.

61. Авдулов А.Н. Контроль и оценка круглости деталей машин. — М.: Изд-во стандартов, 1974. — 175 с.

62. Сысоев Ю.С. Координатные методы определения параметров средней окружности при анализе профиля реальной поверхности // Измерительная техника. 1995. - №10. - С. 22 - 25.

63. Плис А.И., Сливина Н.А. Лабораторный практикум по высшей математике: Учеб. пособие для втузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: высш. шк., 1994.-416 с.

64. Карташева И.Ю. Поликритериальное ранжирование альтернатив и планирование координатных измерений // Измерительная техника. 2000. — № 10-С. 22-27.

65. Мудров В.И., Кушко В.Л. Методы обработки измерений. М.: Радио и связь, 1983. - 176 с.

66. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдений. М.: Физматгиз. 1962. - 280 с.

67. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления. В 2-х т. Т.1: Учеб. пособие для втузов. 12-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1978. - 456 с.

68. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов 6-е изд., стереотип. - М.: Гос. изд-во техни-ко-теоретич. литер., 1956. - 608 с.

69. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс. М.: Радио и связь, 1988.- 128 с.

70. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. — М.: Мир, 1975.-536 с.

71. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. — М.: Мир, 1985.-509 с.

72. Марков Н.Н. Взаимозаменяемость и технические измерения. — М.: Изд-во стандартов, 1983. — 288 с.

73. Сысоев Ю.С., Симакова Н.А. Методика контроля черновых поверхностей заготовок: общие принципы и математические модели // Измерительная техника. 2003. - №.12 - С. 31 - 34.

74. Моденов П.С. Аналитическая геометрия. М.: Изд-во МГУ, 1969.698 с.

75. Сысоев Ю.С. Методика определения оси и диаметра прилегающего цилиндра крупногабаритного корпусного изделия // Вестник машиностроения. 1992. - №1. - С.37 - 39.

76. Шор Н.З. Обобщенные градиентные методы минимизации негладких функций и их применение к задачам математического программирования // Экономика и математические методы. 1976. - Т. XXII. - №2. -С. 337-356.

77. Сысоев Ю.С., Симакова Н.А. Методика контроля черновых поверхностей заготовок: контроль формы заготовок изделий тяжелого машиностроения // Измерительная техника. 2004. - №.1 - С. 24 - 27.

78. Сысоев Ю.С., Магдеев В. Ш. Методика измерения отклонений от цилиндричности крупногабаритных деталей // Измерительная техника. 1990. -№11.-С. 27-29.

79. Симакова Н.А. Оценка погрешностей измерения координат точек поверхностей крупногабаритных заготовок // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки., 2004. Прил. 5. - С. 68 - 72.

80. Роджерс Д., Адаме Дж. Математические основы машинной графики: Пер. с англ. М.: Мир, 2001. - 604 с.

81. Сафронович А.А. Карусельные станки. М.: Машиностроение, 1983. -263 с.

82. Сафронович А.А., Сидоренко С.А. Обработка деталей на токарнокарусельных станках. М.: Машиностроение, 1979. - 96 с.

83. ГОСТ 8 82. «Станки металлорежущие. Общие требования к испытаниям на точность» — М.: Издательство стандартов, 1982. - 48 с.

84. ГОСТ 22267 76 . «Станки металлорежущие. Схемы и способы измерений геометрических параметров» - М.: Издательство стандартов, 1986. — 36 с.