автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Методы автоматического управления технологическими процессами изготовления высокоточных маложестких осесимметричных деталей



МИНИСТЕРСТВО НАУКИ,ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ

ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СТАНКОИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ДРАЧЕВ ОЛЕГ ИВАНОВИЧ

УДК 681. 51(621. 923]:: 621. 78: 621. 9.048.6)

МЕТОДЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОТОЧНЫХ МАЛОЖЕСТКИХ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ

ДЕТАЛЕЙ

Специальность 05.13.07 - Автоматизация

технологических процессов и производств

(машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в НИЛ автоматического управления и контроля механических систем Тольяттинского политехнического института.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Митрофанов В. Г.

- доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РСФС: заслуженный изобретатель РСФСР Михелькевич В. Е

- доктор технических наук, профессор Шварцбург Л. Э.

Ведущее предприятие - Волжский автомобильный завод - ВАЗ .

Защита состоится "1о " *яврпля_19.^ года в .14 часов не

заседании специализированного Совета Д 063. 42.02 в Московском Ордена Трудового Красного Знамени станкоинструментальном институте по адресу: 101472, ГСП, Москва, К-55, Вадковский пер. , 3-а, тел. 258-39-54.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать в адрес специализированного Совета.

Автореферат разослан " " декабря 1992 года.

Ученый секретарь специализированного Совета Д 063. 42. 02 канд. техн. наук, доцент Г. Д. Волкова

•Л

- 3 -

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ. Современный этап развития машиностроения характеризуется непрерывным ростом объема маложестких деталей/МВД/, обусловленным потоянным снижением металлоемкости изделий.

Непрерывно возрастающие требования, предъявляемые к качеству машин, влекут за собой повышенные требования к точности МВД, а следовательно, к созданию прогрессивных технологий по их изготовлению. Достижение высокой точности изготовления МЖД сопряжено с большими материальными затратами, трудоемкостью и тесно связано с производительностью изготовления. Поэтому проблема повышения точности и производительности МВД является одной из важнейших народно-хозяйственных задач машиностроения, а поиск резервов повышения эксплуатацинной точности и производительности изготовления - актуальной научной проблемой технологии машиностроения. Накопленный производственный опыт показывает, что традиционные способы обработки недостаточно эффективны для изготовления деталей малой жесткости. Поэтому вопросы их изготовления на практике решаются введением многоцикловой термообработки,многопроходного точения, снижением режимов резания, вводом дополнительных операций ручной доводки, что неэкономично и малопроизводительно. В этих условиях важное значение приобретает путь автоматического управления ходом технологического процесса изготовления с целью повышения эксплуатационной точности и производительности обработки МЖД. Решение комплексной задачи управления ходом техпроцесса изготовления МВД и обеспечение требуемого качества готовых деталей затрудняется тем, что в процессе обработки сама маложесткая деталь и формообразующие узлы технологической системы, находясь в относительном движении, представляют собой сложную динамическую систему, для определения поведения которой требуется проведение целевых теоретических и экспериментальных исследований. Кроме того, точность зависит от технологического процесса, с учетом взаимосвязей операций и их технологической наследственности, передаваемой непосредственно материалом заготовки. Наиболее перспективным направлением решения проблемы изготовления МЖД является адаптивное управление точностью их формообразования в упруго-пластическом деформированном состоянии на основе научно обоснованных технологических методов воздействия на заготовку, обеспечивающих однородность и равновесность распределения пластических деформаций и остаточных напряжений по всему объему детали.

Таким образом, поиск повышения точности и качества обработки, базирующихся на раскрытии закономерностей поведения упруго-пласти-

ческого деформирования МЖД и их материалов, совершенствование существующих и разработка современных технологических методов, средств автоматизации и управления, в том числе и адаптивного, изготовлением МВД - актуальная проблема в области технологии машиностроения. Научная и практическая значимость этой проблемы ставит ее в ряд важнейших народнохозяйственных задач.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является повышение точности и стабильности формы осесимметричных маложестких деталей путем создания технологических основ автоматического управления процессами холодной правки, механической, термосиловой и вибрационной обработок, а также разработкой эффективных систем автоматического управления этими процессами.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Решена крупная научная проблема в области автоматизации технологических процессов в машиностроении, имеющая важное народнохозяйственное значение, заключающаяся в создании совокупности новых методов автоматического управления процессами обработки маложестких длинномерных осесимметричных деталей (холодной правки, термообработки, механической обработки и вибростабилизации) , которые базируются на впервые раскрытых закономерностях автоматического управления упруго-пластического деформирования обрабатываемых деталей,; математическом описании и построении структурных схем технологических систем для получения требуемой точности, стабильности формы и качества поверхности.

Для решения этой проблемы потребовалось: обосновать новые принципы управления операциями, формирующими физико-механические свойства материала, геометрические формы заготовок и их упруго-пластическое деформирование, а также уровень и распределение остаточных напряжений по объему готовых деталей; создать структурные модели функционирования технологических систем в статистическом и динамическом режимах в условиях поперечного и продольно-поперечного изгиба и деформирования; установить возможность оценки упруго-пластического состояния заготовки и технологических систем непосредственно во время обработки; разработать технологические методы целенаправленного формирования упруго-пластического деформированного состояния для достижения заданной точности и стабильности формы; установить закономерности автоматического обеспечения устойчивого процесса формообразования упругодеформированных маложестких деталей для типовых структур и связей динамической технологической ситемы.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Исследовались основные положения; техно-

логии машиностроения, динамики станков, механики твердого и пластически деформируемого тела, теорий механических колебаний и автоматического управления, метод начальных параметров в матричной форме, а также модальный метод исследований систем с распределенными параметрами, аппарат преобразований Лапласа, метод передаточных функций и др. Экспериментальные исследования проводились на вновь разработанных установках и высокоточных станках с использованием специально изготовленных систем управления и современной контрольно-измерительной аппаратуры.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. На основе созданных математических моделей разработана новая прогрессивная технология изготовления длинномерных осесимметричных деталей малой жесткости, которая позволяет обеспечить значительное повышение точности и стабильности формы и качества поверхности обрабатываемых деталей, с одновременной минимизацией энерго и металлоемкости путем автоматического управления упруго-пластическим деформированным состоянием МВД в различных ее сечениях, обеспечивая при этом равномерное и равновесное распределение остаточных напряжений по объему заготовки. Созданы оригинальные установки для процессов холодной и горячей правки, термосиловой обработки /в процессе закалки и термостабилизации/, механической обработки /чернового и чистового точения/ с использованием самоцентрирующихся гидролюнетов. Установки оснащены системами автоматического управления и представляют собой единую технологическую цепь. Разработан участок по изготовлению длинномерных деталей типа "зал". Разработаны алгоритмы и программы расчета обработки МЖД. Основные технические решения защищены 50 авторскими свидетельствами. Результаты выполненной работы используются в учебном процессе ТолПи при обучении студентов специальностям 1201, 1202, 2103.

Результаты исследований внедрены и продолжают внедряться на предприятиях автомобильной, авиационной, судостроительной промышленности, а также химического и среднего машиностроения. Экономический эффект от внедрения составил более 500 т. рублей.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на всесоюзных, республиканских, региональных и межвузовских научно-технических конференциях: "Оптимизация управления прогрессивными технологическими процессами обработки деталей" /Киев, 1977/; "Автоматизация и алгоритмизация технологических процессов'УКиев, 1979/; "Создание ГПК в машиностроении на базе станков е ЧПУ и промышленных роботов"/Киев, 1984, 1985/-, " Повыше-

ние точности механической обработки деталей при использовании САУ" /Севастополь, 1980, 1981, 1982, 1985, 1987/; "Алгоритмы, средства и системы автоматического управления" /Волгоград, 1984/; "Применение систем автоматического регулирования при обработке металлов резанием"/Еыборг, 1985/; "Конструирование и производство сельскохозяйственных машин"/ Ростов-на-Дону, 1985/; "Современные проблемы технологии машиностроения" /Москва, 1985/;"Новые технологические процессы и оборудование для поверхностной пластической обработки материалов" /Брянск, 1986/;"Интенсификация технологических процессов механической обработки" /Ленинград, 1986/; "Прогрессивная технология обработки маложестких деталей" /Тольятти, 1984, 1985, 1987/; "Динамика и адаптация технологических систем машинострое ния" /Тольятти, 1986/; "Прогрессивный твердосплавный режущий инструмент" /Свердловск, 1987/; "Автоматизация и комплексная механизация технологических процессов" /Сызрань, 1987/; "Получение и обработка материалов высоким давлением'УМинск 1987/; "Совершенствование технологических процессов изготовления деталей машин" /Курган, 1991/.

В целом диссертационная работа рассмотрена и одобрена на расширенных заседаниях НТС Тольяттинского политехнического института (1991 г.), электротехнического факультета Самарского политехнического института (1992 г.) и Мосстанкина (1992 г.).

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследоаний опубликовано 104 научные работы, в том числе: 1 монография, 50 статей и 53 авторских свидетельства на изобретение.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов и заключения, изложенных на 400 страницах машинописного текста, содержит до 74 страниц иллюстраций, 8 таблиц, список литературы из 294 наименований и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Введение содержит в краткой форме изложение научной новизны, практической значимости диссертационной работы, перечень решенных в диссертации задач и положений, выносимых на защиту.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ /РАЗДЕЛ 1/. В данном разделе дается общая характеристика маложестких деталей и особенности технологических процессов их обработки. Методами обработки МВД, обеспечивающими высокие требования по точности и стабильности формы и качеству поверхностного слоя, являются точение, термообработка, правка и вибростабилизация. Нестабильность физико-механических свойств материала заготовок, неоднородность расп-

ределения пластической деформации при холодной правке, неравномерное распределение термических напряжений, нестабильность по характеру процессов точения маложесткой детали,как элемента динамической системы станка, образует сложный технологический процесс, поведение которого в процессе пооперационной обработки априорно определить практически невозможно. На основе анализа существующей технологии изготовления МЖД на операциях правки, термообработки, точения и виброобработки в производственных условиях выявлено, что доминирующими факторами, влияющими на стабильность формы готовых изделий, является неоднородность распределения физмехсвойств материала и пластических деформаций при изготовлении проката, приводящие к неравновесному распределению остаточных напряжений на последующих операциях термообработки, правки и точения. Преобладающие погрешности на станках обусловлены колебанием размеров динамической настройки станков, определяемых в основном упругими деформациями технологической системы из-за упругих отжатий обрабатываемой детали, как наиболее слабого звена главной формообразующей подсистемы "деталь - опоры".

Анализу и расчету упруго-пластического деформирования деталей применительно к процессу правки посвящен ряд основополагающих работ Л. Е Ильина, А. А. Ильюшина, а Е Малинина, Е. Е Мошина, А. Надаи, Е Г. Подпоркина, К Л. Сахненко, Е Е Соколовского и др. Ими разработаны основы учения о пластической деформации и теории о разгрузке упруго-пластического изгиба, раскрыта взаимосвязь между важными параметрами, как радиусы кривизны, изгибающие моменты, прогибы под нагрузкой и др.

Анализ параметров и взаимосвязей показывает, что известных теоретических предпосылок и аналитических выводов недостаточно для непосредственного их практического использования при разработке систем автоматического управления процессом правки, отсутствуют закономерности правки, пригодные для реализации в логических устройствах автоматики, отсутствуют формулы для определения предварительных и остаточных прогибов, числа правок и машинного времени, усилий, стрел прогибов, не изучено влияние параметров детали и законов коррекции процесса правки на величину производительности и точности правки. В данной работе решается задача холодной правки путем автоматического управления ходом техпроцесса с учетом равномерного распределения пластической деформации по длине заготовки, пластическим деформированием в зонах и узлах пучности основных высших форм изгибных колебаний обрабатываемой детали.

Важным фактором, препятствующем обеспечению точностных параметров высокоточных деталей и стабильности их форм, являются остаточные напряжения, возникающие при всех технологических процессах правки, термической и механической обработках. Причины их образования многообразны: неоднородность пластической деформации, температурного поля, фазовые превращения и т. д. Проблемам, связанным с исследованием влияния остаточных напряжений на точность, качество обработанной поверхности и стабильность форм, посвящено значительное количество фундаментальных работ И. А. Биргера, Е Ф. Безъязычного, Б. А. Кравченко, Л. С. Мурашкина, А. А. Маталина, Е А. Остафьева, А. Е Подзея, С. С. Силина, М Л Хенкина, Е И. Ящерицина и др. Результаты этих исследований внесли большой вклад в решение проблемы целенаправленного формирования упруго-пластического деформированного состояния поверхностного слоя обработанной поверхности и всего объема в целом.

Проведенный анализ публикаций показывает, что для обеспечения размерной стабильности высокоточных деталей технологический процесс изготовления разрабатывают с определенной последовательностью выполнения технологических операций. После получения заготовок или черновой механической обработки проводят термическую операцию , направленную на ; обеспечение требуемых механических свойств и структурного состояния материала детали. Последующие операции технологического процесса высокоточных деталей должны представлять собой чередование операций механической обработки и термической стабилизации. С технологической точки зрения очень важно иметь данные по размерной нестабильности материала детали как до закалки, так и после нее. Это позволит обосновать величины припусков при выполнении операций. Большую роль играет проработка вопросов межоперационной нестабильности формы обрабатываемых поверхностей.

Вопросам, связанным с исследованием точности, различным методам ее достижения и управления, посвящено значительное количество фундаментальных работ Б. С. Балакшина, Б. М. Базрова, Е М. Кована, А. И. Калшрина, Е С. Корсакова, И. М. Колесова, А. Е Кудинова, 3. М. Левиной, Е Г. Митрофанова, Е Н. Михелькевича, Е Э. Пуша, Р. Н. Решетова, Е Е Подураева, А. Е Соколовского, ¡0. М. Соломенцева, Е К Старкова, ЕЕ Тверского, ЕЕ Каминской, А. Е Якимова и др. Ими разработаны основы современной теории точности обработки, управления и оптимизации технологических процессов.

Проведенный анализ публикаций по комплексной проблеме управления точностью формообразования МВД показал, что при решении

проблемы автоматического управления точностью и качеством обработки МЖД необходим комплексный подход, учитывающий различные факторы технологического процесса, вытекающие из реального положения и взаимодействия между заготовкой и инструментом, учитывающие статические и динамические характеристики технологических систем обработки и внутреннее энергетическое состояние самой детали как в процессе ее изготовления, так и в эксплуатации.

В свете изложенного целью исследований является повышение точности и стабильности формы осесимметричных маложестких деталей, путем создания технологических основ автоматического управления процессами холодной правки, механической, термосиловой и вибрационной обработок, а также разработкой эффективных систем автоматического управления этими процессами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующий комплекс задач:

1. Разработать математические модели процессов холодной правки, термосиловой и механической обработок и на их основе построить структурные схемы этих процессов как объектов, управления.

2. Исследовать основополагающие модели технологических операций как объекты управления и проанализировать их для определения необходимости автоматического управления процессом.

3. Изучить динамику поведения заготовки в процессе ее изготовления- при стандартном техпроцессе и с применением вновь разработанных методов и установок, оснащенных системами автоматического управления.

4. Разработать алгоритмы управления техпроцессом холодной правки, термосиловой и механической обработок и исследовать новые методы формирования полей управления.

5. Исследовать влияние основных способов автоматического управления на структуру и параметры технологического процесса и построить алгоритм выбора оптимального технологического маршрута

6. Разработать на уровне изобретений новые способы обработки маложестких деталей, базирующихся на новых элементах автоматических систем управления.

7. Разработать принципы и доказать работоспособность динамической диагностики процессов холодной правки, резания, термосиловой обработки.

8. Исследовать закономерности автоматического обеспечения устойчивого процесса формообразования упругодеформированных нежестких деталей для типовых структур и связей технологической системы.

9. Реализовать полученные результаты исследований путем разработки и внедрения на предприятиях соответствующих технологических установок и станков,оснащенных САУ.

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ МАЛОЖЕСТКИХ ДЕТАЛЕЙ (РАЗДЕЛ 2)

Для успешного осуществления управления технологическим процессом необходимо иметь математические идентифицированные модели основополагающх операций правки, точения, термосиловой и вибрационной обработок.

В процессе эксплуатации осесимметричные длинномерные детали типа "вал", подвержены внешним динамическим нагрузкам и могут колебаться от первой до "п" моды и при управлении процессом динамической правки необходимо, чтобы математическая модель учитывала поведение заготовки при воздействии внешних нагрузок по длине и в поперечных сечениях.

Динамическая модель процесса правки в продольном сечении подсистемы "МЖД-опоры" с распределенными по длине инерционными и жес-ткостными параметрами описывается дифференциальным уравнением виде

Е,ю%/ах*+. р (х,ъ) (1)

Здесь Е, ][, р, Г, v, х, Р - модуль упругости, момент инерции, плотность материала, площадь поперечного сечения, перемещение -прогиб поперечного сечения вала, координата приложения сосредоточенной нагрузки и нагрузка. Линеаризованная математическая модел] процесса правки длинномерных деталей с относительным радиусом более 100 справедлива, поскольку справедлива модель малых упруго-пластических деформаций и .целесообразность пренебрежения инерционными составлюшими (скорость динамической правки менее 101 об/мин) и взаимосвязью кручения и изгиба

Решением уравнений (1) свободных изгибных колебаний стерж ня-вала является главное колебание, в котором функция прогиба ко леблющегося стержня изменяется по геометрическому закону.

V = У(х)з1п(ш Ь +оО

Функция У (х), устанавливающая закон распределения максималь ных амплитудных отклонений оси стержня,является собственной фор мой, которых бесконечное множество для прямых стержней, и каждо иэ них соответствует определенное значение собственной частоть

Эти частоты и собственные формы можно определить с помощью уравнения собственных форм и краевых условий задачи. Уравнение собственных форм имеет вид

dV/dx* - ( $>FÜ//EJ)* У = 0 (2)

Введем К = р Fu//EJ. Общее решение

У(х) = A coskx + В sinkx + С chkx + D chkx (3)

Постоянные А, В., С, Д следует подбирать так, чтобы функция У(х) удовлетворяла условиям закрепления концов стержня.

Общее решение дифференциального уравнения (1) применительно к гладкому валу имеет вид

V(x,t) = Г (A cosojt + В sinu>,t) sin (т!Гх / L ) (4)

L'J V

Коэффициенты А. ,В^ находятся из начальных условий, выражающихся соотношениями

V(x,0) =Y( х); V(x,0)=Z(x), имеющими место место при t = 0, где V(x) и Z(x) некоторые заданные функции переменной х, определяющие начальное распределение по оси стержня поперечных отклонений и скоростей отдельных его элементов. Для ЩЦ влияние закрепления концов стержня-вала практически не влияет на его собственные формы.

Согласно решению (1) собственные формы колебаний стержня-вала рассчитываются по уравнению

Ур(х) = Ву sin СШ/ L )

здесь L - длина заготовки, 1, 2, 3____ Анализ полученного

решения показал целесообразность правки длинномерных МИД в зонах и узлах высоких форм, пятой и более, это позволяет пластически деформировать весь объем заготовки и минимизировать неоднородность пластической деформации и неравномерность остаточных напряжений по всей длине детали.

Такой подход к процессу динамической правки позволяет провести дискретизацию, т. е. замену исходной модели с распределенными параметрами моделью с сосредоточенными параметрами, что позволяет применить методы теории управления. Если алгоритм управления процессом правки по длине определен, то алгоритм автономного контура, производящего непосредственно процесс упруго-пластического деформирования в поперечном сечении, сложен и это связано с незнанием внутреннего состояния материала заготовки.

Для поиска напряженно- деформированного состояния упругого и линейно-упрочняющегося тела (материал заготовки принимаем линейно-упрочняющимся) необходимо решить краевую задачу кусочно-линейной теории упругости

96.. /Эх. - О; Г( ^ ); -Й Ь- - % ) (5) У 1 У У г дх. дхг

6.. п.| = Р; и. (х = 0; у = - <1/2 ; г = 0) = и;

ч ^ ^

(х = Ц у «= - сЗ/2 ; 2 = 0) = О Здесь для Пб^) - материальное соотношение, задает связь между компонентами тензора напряжений и тензора деформации-в данном случае кусочно-линейная. Функция внешних сил (поверхностных) Р равна нулю везде, кроме точки с координатами ( Ь/2, <3/2, 0).

Поскольку такое решение задачи (5) крайне трудно, то решение было найдено приближенно, на основании геометрических соображений. Предположим, что в результате воздействия Р гладкий вал деформируется таким образом, что его геометрическая ось принимает форму дуги окружности. Тогда его напряженно-деформированное состояние можно приближенно оценить эпюрами упругих, упруго-упрочняющих и остаточных напряжений. Из геометрических соотношений найдена связь между величиной прогиба У и величиной остаточных напряжений (5/осТ с учетом

' У = I- босг ЛбЕг (6)

Согласно (6); для ликвидации прогиба необходимо создать оста-

О

точные напряжения • б"ост , либо остаточную деформацию £х =1бгУ/Ь.

Искомое напряженно-деформированное состояние определяется точкой пересечения прямой упрочнения и прямой разгрузки, при условии, что кривая упрочнения при малых деформациях линеаризуется прямой, т. е. искомые 6 и £ получим, если решить систему уравнений £ -б/Б +■ б = ЕуЕ +бог , отсюда £ =( б^ +■ £°)/(Е - Еу ) Для работы САУ необходимо контролировать реальные величины процесса правки, расчетные значения бдсТ и £ приемлемы для расчета поправочных коэффициентов коррекции при определении величины перегиба вала.

Величина перегиба Ур , необходимая для исправления кривизны вала, определяется из соотношений

Улр = I бог /1бгД Е + ЕУ /д Е, (7)

здесь д Е = Е - Еу - модули упругости и упрочнения,которые расчитываются в процессе правки или определяется из эксперимента. Величина перегиба зависит от величины пластического деформирования, ко-

торую имеет заготовка до правки. Одновременно проведены оценки допустимых нагрузок на кручение и изгиб, которые выдержит правленная деталь при тех пластических деформациях, которые она испытывает при холодной правке.

Главное препятствие при разработке САУ это отсутствие математического описания объекта - процесса правки, как звена направленного действия со своим входом и выходом, внешним воздействием и т. д. Кроме того, для объекта управления главное найти выходные -контролируемые и входные-управляющие параметры, которые бы отражали реальный процесс правки. Целесообразно контролировать входную и выходную величины и по их отношениям судить о процессе деформации, тогда и процесс правки целесообразно представить структурной схемой, согласно линеаризированной статической характеристики объекта управления Р = ДУ)

Р=К^У ; Р( - Р = К (У, - У) (8)

Согласно уравнениям (8) передаточные функции объекта управления

У(3) :/(5) y'cs)

WIS)------= j ; W(S)=-----= 3 ; W(S)=-—- = - 1 (9)

1 i a 2. i 2

PCS) £(S) £(S)

Здесь j - коэффициент податливости подсистемы "МВД - опоры" при изгибе. В структурную схему процесса правки включена и величина ошибки формы вала в диаметральном сечении, которая может быть значительна по отношению кривияны.

Одной из операций техпроцесса изготовления МВД, влияющих на нестабильность формы,является термообработка. Для количественного исследования процессов, проходящих при термообработке, и управления ими, необходимы физические модели и их математическое описание как объектов управления со своими структурными схемами.

Чтобы охарактеризовать состояние динамического звена, принято за обобщенную координату на входе звена б (£), а на выходе £ (б). Процесс упруго-пластической деформации, при постоянной температуре можно представить звеном направленного действия с входной величиной 6 и выходной £ и наоборот. Динамическое звено не обязательно является конструктивно или схемно оформленным, в отдельных случаях динамические звенья могут вообще не иметь физического смысла, характеризуя лишь математические зависимости. Поскольку определение неупругости включает требование линейности, ясно, что дифференциальные уравнения неупругости, связывающие б и 8 , должны быть уравнениями первой степени и содержать столько независимых постоян-

ных, сколько необходимо для описания неупругого поведения данного твердого тела. В общем виде линейное уравнение с постоянными коэффициентами можно записать следующим образом:

аоб + ..+а (¿"б* /си" = ьв£+ь( <1 £ ли+... +ь с ю)

Разработаны механические модели, включающие в себя динамические звенья, включенные параллельно и последовательно, а также их комбинации из двух и более элементов. Дано их математическое описание в виде линейных неоднородных функций, позволяющих оценить предысторию изменения напряжения во времени через функцию податливости, неупругость и релаксацию как в процессе обработки , так и в процессе экслуагации деталей.

Процесс термодеформации на этапе осевого деформирования, после выхода на заданный температурный режим, описан уравнениями, согласно статистической характеристики объекта управления и механической мод( ли.

При осевой 'деформации длинномерных деталей бг = 0, следовательно, уравнения,; описывающие обобщенный закон Гука для плоских сечений, упростятся и передаточные функции объекта управления для одной ветви нагрузки примут вид

V (3) 3) =£( 3) /613) (1 +Та 3) /(1+Т, 3); У 2)3) = (3)/т°( 3) =КЙ/(1+Т3 3) ; Б) = 3)/т"(3) =с6 Е=К8;(12

3) = е/12) /ег!~3) "К4 ; 5) = 6<(2)/ег(Б) =К •

Здесь Е^и Е - модули упругости; - коэффициент вязкости; Т ^б/Е; Т£ =_уЗ /Е^ Е£; =сС/!|г - постоянные времени; К = Е^ + Е/Е^ Ку + коэффициенты усиления; с - удельная теплоемкость; 6 - вес, Р - по верхность заготовки; - удельный коэффициент теплоотдачи.

Деформация заготовки вдоль своей оси одновременно приводит уменьшению - сужению диаметра заготовки, и следовательно, к улро чению материала и далее к возрастанию осевых напряжений, т. е. используя терминологию теории автоматического управления, процес ТСО можно представить как замкнутую систему с положительной образ ной связью по напряжению. Входом структурной схемы является осевс напряжение и температура, а выходами продольная и поперечная отнс

сительная деформация£,£. Структурная схема согласно статической характеристики объекта имеет две параллельные ветки. При достижении предела текучести б^в структурной схеме звено представлено как нелинейный элемент типа реле, в работу включается вторая ветвь схемы. Если при одноосном растяжении кривая деформации имеет участок текучести и упрочнения , то нечувствительность "полочка" на кривой показывает , что б постоянна , а изменение £ в пределах =3 . то б" =-Е а+Е £ при £ >£&, где ¿^-деформация при постоянном напряжении. Учет перехода с одной ветви структуры на другую, т. е. при переходе через предел текучести, на первой ветви введена единичная обратная связь, которая включает "реле" и процесс осевой деформации идет по второй ветви. Процесс упрочнения (кривую упрочнения) целесообразно линеаризировать, что справедливо при малых величинах деформации, тогда передаточные функции по своей сути остаются такими же, что и предыдущие (изменяются численные значения постоянных времени и коэффициентов усиления).

Для процесса механической обработки построена динамическая модель подсистемы с распределенными параметрами пс длине. Она идентифицирована частотным методом. Установлено, что при мехобработке МЖД влияние ее необрабатываемых частей на процесс резания значительно. Это обусловлено неуравновешенностью заготовки и накапливаемой в ней кинетической энергией. Для МЖД - длинномерного вала, имеющего прямолинейную ось, незакрученное поперечное сечение с учетом действия продольной силы, составлена исходная система дифференциальных уравнений. После ряда преобразований, пренебрегая силами инерции при угловых перемещениях и полагая, что реакция основания представлена лишь изотропными силами упругости и деформирования, колебания- перемещения центра изгиба поперечного сечения V и V - стержня в направлении координатных осей отыскиваются из системы:

„ау„ • а* Ггт aV_ „ , 3V д\ ^ §v¡,

= pFuAe, eosu>t - e„sinwt) + q (x;t); (13)

d\ ' a* a3vvg 9v

p F-+ - [ EJ- + f(--u>- )) +/3- + kv =

зг ах2 d*¿t дx*at эЛ at 7 2

= рРш (e sincut + e coso;t) + q (x. t)

' 1 *• vi

Здесь Г- коэффициент, учитывающий силы внутреннего трения в материале; со - угловая частота вращения; р - коэффициент внешнего демпфирования; к - коэффициент жесткости; ей е- неуравновешенность заготовки (определяется как отклонение в каждом сечении оси

инерции от оси вращения); ч и ч - внешняя нагрузка.

«у VI

При периодических' колебаниях все деформационные

факторы будут изменяться по гармоническому закону, перемещения поперечных сечений представлены в виде:

В

и силовые частности,

V (х,ю^ (х)соэоЛ+Уу1 (х)э 1 П0)Ь;V (х,Ь) (х)соэыЬ+/(х) Б 1 14)

Подстановка выражений (14) в систему (13) и приравнивание коэффициентов при соэсЛ. и вШиЛ. приводит к удвоенному числу уравнений в обыкновенных производных с общим 16-м порядком. Деформированное состояние в каждом сечении стержня определяется матрицей* столбцом или вектором 16-го порядка

т-

■к-

4 < ч; 1/" У

1С' ■»к г 1р" -»и

т ; а ч Д " « ; а - У

М' ' г Ми ' У м1 ' а М"

в а г г

0" г 0' У о;

(15)

Здесь Ч* и Ч^ - компоненты вектора угла поворота ^ ; М и М компоненты вектора изгибающего момента М ; 0 ; 0 - компоненты вектора поперечной силы 0 .

При решении задач колебаний для реальных систем переходим от действительной системы с распределенными параметрами к некотороЯ эквивалентной дискретной (разбитой на участки) системе. Для нее получены системы матричных рекуррентных соотношений, связывающие деформированное состояние вТ -м и (^+1)-м расчетных узлах:

- ел (во+,

(16)

где А и В - переходные матрицы участка и узла; ч - вектор нагрузки.

Используя МНП решение получено в виде

а, - ^

(17)

где dвектор параметров BW -м узле; ä - вектор начальных пара-

V о

метров для начального торца стержня; 1Ц - квадратная матрица, столбцами которой являются 16 нормальных решений; q - вектор частного решения, определяемый внешней нагрузкой.

В рассматриваемой модели действие силы резания на заготовку заменено эквивалентной опорой, имеющей динамическую жесткость

V«)- Ср(С- Мри/)/(С + ср - МриЛ . (18)

Здесь Ср- жесткость процесса резания (подсистема "инструмент-деталь"); Мр - масса суппортной группы; Сс - жесткость подсистемы "суппортная группа - станина". С помощью матриц неуравновешенности учтено также действие на заготовку неуравновешенных сил, приложенных в расчетных узлах.

По описанному алгоритму, использующему ШШ в матричной форме, составлены программы вычислений и выполнена серия расчетов на ЭВМ. Машинным экспериментом наряду с очевидными результатами установлено: для деталей, жесткость которых порядка жесткости опор, форма амплитудной кривой до частоты 100 Гц (п = 6000 об/мин) соответствует первой собственной форме, т. е. динамические явления не проявляются и при анализе таких систем можно применять стационарные модели. Для МЖД,обладающих жесткостью 10 ... 100 раз меньшей жесткости опор в диапазоне частот до 100 Гц возбуждаются колебания от первой до пятой собственной формы; для процесса мехобработки с подвижным люнетом, в зависимости от частоты, возбуждаются различные формы колебаний. Их наибольшая амплитуда существенно зависит от положения зоны резания. Это обуславливает необходимость гашения колебаний свободных от резания частей МЖД; в зонах переходных частот (от второй к третьей собственной форме) наибольшие амплитуды колебаний расположены не в областях возбуждения, а в зонах пучностей соответствующих форм колебаний. Следовательно, демпфирование колебаний МВД в областях, далеких от зон возбуждения, является важной задачей при реализации условий виброустойчивого процесса механической обработки; созданные алгоритмы и программы используются как в задачах синтеза САУ при обработке МВД, так и при проектировании соответствующих систем.

Для реализации САУ применительно к мехобработке была разработана структурная схема технологической системы (ТС) станка, с учетом многосвязности, реализуемой через объект управления ТС, которая разделена на три подсистемы: "деталь-опоры" (ПДО), "резец-суппорт" (ПРО), "процесс ревания" (ППР). Показано, что высокий уро-

вень динамических усилий в зоне резания вызывается неуравновешенностью МВД вследствие несовпадения оси вращения с ее осью инерции. Это связано с колебаниями припуска на обработку, погрешностями предыдущих операций, особенно центровочных, влиянием неоднородности материала и др.

Как показал специально проведенный анализ, распределенная по длине заготовки неуравновешенность может быть разложена на составляющие. Каждая из них соответствует определенной форме упругой линии и вызывает вынужденные колебания только этой формы. Установлено, что для оценки неуравновешенности достаточно учитывать не более трех первых собственных форм, а при определенных условиях достаточно только первую.

Аналитическое исследование показало, что величина опорных реакций зависит от угловой скорости, ширины диапазонов резонансных колебаний и растет с номером формы. Поэтому на высших скоростях вибрации, как правило, имеют более интенсивный характер, чем на низших. Из сказанного следует, что для повышения точности обработки МЖД надо стабилизировать положение оси заготовки путем автоматического управления параметрами системы.

Вынужденные колебания детали в плоскости ОХУ под действием гармонической силы Р(х) е*"""1 описываются уравнением 0v £}v (fv dv

EJ(- +oi-) +j) F(- -) = P( x) • e (19)

3x4 ûx"01 dt* St.

Здесь V(x,t) - поперечное смещение; ^и^- коэффициенты внешнего и внутреннего трения; i - мнимая единицей

При гармоническом возбуждении системы в случае равенства коэффициентов вязкого трения при растяжении и сдвиге и независимости их от координат и деформаций решение получено в виде ряда по собственным функциям недемпфированной системы. Тогда ее передаточные функции

V(3,xp)= £кг/( ÇT^S + 1), (20)

где Ту - LZ/^pF/BJ

- постоянные времени;

К =2Т^ зш х^/и/рРЬ; | = ^/4.)7; ^ - коэффициенты передачи колебательности и поглощения соответственно;

Количество звеньев схемы (число членов ряда (20), достаточное для достижения требуемой мехобработки, зависит от физических свойств [р,Е) и размеров (Ь, <1) детали, а также от близости зон частот вынужденных колебаний и собственных. Если частоты вынужденных колебаний далеки от собственных (ш < 0,7р), то достаточно оставить 2... 3 члена. Таким образом, передаточная функция ПДО с распределенными параметрами приводится в сумме нескольких стандартных звеньев с сосредоточенными параметрами, соединенных параллельно.

Рассмотрена модель упругой технологической системы (ТС) станка как системы с сосредоточенными параметрами. Экспериментально и теоретически доказана целесообразность применения для динамических и статических расчетов 2-х массовой модели, двух формообразующих подсистем ДЦО и ПРС, которые описываются неоднородными дифференциальными уравнениями второго порядка с постоянными коэффициентами. Разработана структурная схема ТС по передаточным функциям, описывающим взаимосвязь перемещений формообразующих подсистем ГЩО и ПРС с внешней нагрузкой, с учетом процесса резания, которая включает в себя две параллельные ветви, каждая из которых охвачена положительной обратной связью по перемещению и формирует соответствующую составляющую перемещений. Анализ полученных решений показал, что методом подбора оптимальных параметров упругой системы принципиально возможно обеспечить отсутствие относительных колебаний, но не обеспечив при этом точностные параметры детали.

Разработана структурная схема ТС с уточнением математической модели процесса точения, введена нелинейная зависимость силы резания и проведен теоретический анализ.

Отсутствие сведений о влиянии остаточных напряжений, образуют шихся в процессе резания, на геометрическую точность и стабильность формы ВДЦ потребовало разработки физической и математической модели. Оценка осевых остаточных напряжений на величину прогиба МЖД при следующей функции их распределения

4/ 2(M-S>)(Z-|)2 М В 2(N-B)(Z-|?a'

€»(г. p.zj-S-jcosft-д---]+---У (21)

Ra L 2 2 Iе-

Здесь -<? ; Ф=0 -0 : В=0 ; N=£ . .

лтал //па» /<пт 1/nOi ятод <"ii/i tmin

Из уравнения изогнутой оси гладкого вала найден максимальный прогиб в его середине, вследствие симметрии расположения 0 (Z), а также получена зависимость относительного прогиба

L4 5М+Ф У Ltf £

maj Imax ¿mat у . - (-); - = - (—— - 1 ) (22)

max

80EJ 6 L 10 Ed б

<mut

Анализ полученных решений показывает, что относительный прогиб находится в линейной зависимости от отношения длины к диаметру заготовки, а с увеличением этого отношения влияние неравномерности остаточных напряжений сильно увеличивается.

Результаты экспериментальных исследований динамических характеристик технологических систем во временной и частотной характеристиках свидетельствуют о том, что представленные математические модели с удовлетворительной для практики точностью описывают свойства объекта - оригинала. Величина ошибки в расчетном определении постоянных времени не превышает 20%.

ТЕОРИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ТОЧНОСТИ И СТАБИЛЬНОСТИ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАЛОЖЕСТКИХ ДЛИННОМЕРНЫХ ДЕТАЛЕЙ ПУТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ (раздел 3)

Разработаны общие подходы к задачам повышения точности и производительности обработки длинномерных маложестких деталей путем автоматического управления технологическими параметрами процессов правки, термосиловой и механической обработок. Построены технологические модели основополагающих технологических процессов в виде структурных схем, которые позволяют частотными методами, с учетом контуров управления, расчитать статические и динамические параметры процессов обработки. Доказана целесообразность (на примере ме-хобработки) расчленения объекта управления - технологической сис-

темы на три подсистемы: обрабатываемое изделие-опоры; инструмент-суппорт; технологический процесс Срезание, правка и т. д.). Развито представление о причинах потери форм готовых изделий с учетом неодинаковости пластических деформаций в поперечных сечениях заготовок, остаточных напряжений и релаксационных процессов. Получено модальное представление процесса управления объектом, которое может быть использовано для целей моделирования и синтеза автономных систем управления повышающих качество технологических систем с распределенными параметрами. При этом показано, что управляемость обеспечивается при аппроксимации системы первыми тремя модами.

Для создания САУ процессом правки был проведен теоретический анализ разработанной структурной схемы, который позволил выбрать правильный способ воспроизведения выходного управляющего сигнала и разработать, скомпоновать конструкцию сервопривода, осуществить выбор метода измерения регулируемой величины и разработать схему управления, обеспечивающую работу заданного алгоритма правки. Процесс холодной правки как объект управления, согласно уравнений 8 -9 включает в себя три параллельных звена направленного действия, входом которых является сила упруго-пластического деформирования, а выходом - суммарные величины прогиба и геометрические параметры заготовки.

Вычислительно-программное устройство рассчитывает жесткость подсистемы заготовка-опоры, определяет по измеренным усилиям участки упругого и пластического деформирования и по разработанному алгоритму, с учетом контроля реальных геометрических параметров заготовки и ее физмехсвойств, на выходе формирует сигнал управления для электрогидравлического усилителя, последний управляет гидропроводом, его шток жестко связан с пуансоном, который непосредственно контактирует с заготовкой, воспринимая ее реакцию в процессе деформации.

В теории и эксперименте установлено, что для процессов упруго-пластического деформирования метод одновременного контроля усилий правки и величины упруго-пластического прогиба является единственно правильным, т. к. позволяет в реальном масштабе времени определять коэффициент упрочнения и численные значения величин пластического и упругого деформирования.

В итоге исследований создана система адаптации, построена ди-

намическая структура технологического процесса правки со встроенными контурами управления и найдены передаточные функции 1-го канала данной системы:

V (Б)-У (Б)/Р(Б)=У (Б)+У (3) - У/ (Б); тп пр 1 г з

У (5) V (5) -W.es). V'(Б)

э ч о С

--- - ; (23)

" и (3) 1 + Ч (Б), ад (5)

3 + 5 ь г

1

1 + V (Б) -V (Б)-V (Б)- V (Б) Здесь V, (Б), V/ (Б), V (Б), V (Б) т V (Б) - передаточные функции

гл ЗС" сш ч ?

техпроцесса, замкнутой системы (САУ и техпроцесса), ошибки управления, блока управления, электрогидроусилителя, гидропровода, пуансона , а Ур(Б), У (3), Уш(Б) - величины суммарного прогиба заготовки, управляющего воздействия и ошибки, и (5) - величина сигнала управления.

Повысить точность САУ путем компенсации влияния возмущения или действия управляющего сигнала, т. е. создать систему полностью инвариантную к управляющему или возмущающему воздействию в данном случае нецелесообразно, т. к. трудно обеспечить полное удовлетворение условию инвариантности, целесообразно повысить порядок аста-тизма системы управления. В разработанной структурной схеме САУ имеет астатизм второго порядка, это достаточно для обеспечения точности динамической правки в рабочем диапазоне 0 г 5 Гц.

Разработанная структурная схема позволяет оценить динамические процессы, происходящие в системе управления, с учетом управляющих воздействий и внешних возмущений. Выявить взаимосвязи в самом объекте управления и в совокупности с контурами управления, при необходимости ввести корректирующие звенья, оценить ошибку слеже-■ ния при обработке программы.

Термическая обработка как основополагающая в формировании уровня и неравномерности остаточных напряжений в микро- и макрообъемах заготовок потребовала разработки новых подходов к стабильности геометрических параметров маложестких осесимметричных длинномерных деталей - создание равновесного минимального осенаправ-ленного напряжения путем приложения осевых напряжений, управляемых

V (Б) =

Ош

У (Б)

Ош

из(Б)

при нагружении и разгрузке.

Новый технологический метод термосиловой обработки - ТСО разработан на теории стержневых моделей с вариантами несовместности улругопластических деформаций при нагрузке и разгрузке; при условиях неравенства: модулей упругости и упрочнения , величин пластической деформации и пределов текучести при неравномерном нагреве и остывании стержней по сечению и длине. Разность остаточных деформаций в стержнях после разгрузки приводит к появлению остаточных напряжений, которым соответствует уровень потенциальной энергии П =б (£ -£ ) /2. Разновременность фазовых превращений в различ-

0 СТ riflZ лл/

ных окрестностях деформируемого тела приводит к изменению объема и механических характеристик в различных точках тела в различное время и также приводит к появлению неравномерности распределения остаточных микро- и макронапряжений по объему заготовки.

Технологический процесс ТСО имеет ряд особенностей: сопротивление деформации в данный момент времени зависит от истории дефор-мации-технологической наследственности, от закона развития деформации во времени. Сопротивление пластической деформации нельзя задать в виде ег = П£), т. е. как функцию от степени деформации при данной фиксированной температуре.

На основании априорной информации, полученной из экспериментов и математических моделей была разработана структурная схема многоканальной САУ.работающей по составленным алгоритме^, отдельные контуры которой функционируют как следящие системы по отклонению регулируемого параметра (управление поперечной деформацией изделия) , а другие как контуры стабилизации - внешнего усилия с заданной величиной деформации (управление продольной деформацией), а также температурой нагрева и охлаждения. Структурная схема термосиловой обработки ТСО включает в себя сам объект управления с передаточными функциями W (S) 7 V (S) (уравнение 12) и семь автономных каналов управления.

Количество каналов определяется согласно модальному принципу управления, применение которого подробно доказано на примере САУ механической обработки. Контролируемые параметры на выходе Е (S) и Ед(S), продольная и поперечная деформация, а управляемые параметры 64S) и Т°(3)„ внешнее напряжение, приложенное вдоль оси заготовки и температура нагрева и охлаждения в зонах и узлах пучностей при механическом деформировании. Первый автономный канал управления продольной деформацией представляет собой контур обратной связи по

отклонению, входом которого является продольно-осевая деформация Е (S), а выходом напряжение, приложенное к одному из концов заготовки. В обратную связь контура управления включены три звена: первичный преобразователь с передаточной функцией V^ ( S) =U( S) /Ef( S) дифференциальный усилитель V^(S) = U^ (S)/^ (S), исполнительный

механизм W (S)= (э (S)/U (S), на второй вход дифференциального уси-м У У

лителя подключен один из выходов контроллера W ( S), последний согласно программе включает в работу контур управления осевой деформацией.

Контур контроля и управления за первичной деформацией по длине изделия, с учетом количества каналов, включает в себя следующие звенья, первичный преобразователь К£ СS) =1^(S)/6^(3).блок управления нагревом и охлаждением секции печи Wâ (S)=Utf(S)/U (S), источни? питания нагревательных элементов Ф( S) ( S) /и ( S), нагревательны; элемент $'(S)= T(S)/U, (5).

Г h '

Каждый из каналов нагрева и охлаждения имеет контур обратно! связи, в который включено одно звено (термопара) с передаточно; функцией Kr(S)=Ur(S)/TU(S).

Кроме каналов нагрева печи, система управления имеет стольи же каналов быстрого охлаждения, которые представлены одним звено: Ki (( ^ /иух ^ S). Все звенья контуров управления представлен: усилительными (постоянные времени процесса ТСО и звеньев управле ния отличаются на несколько порядков), кроме нагревательных, пос ледние описаны инерционными второго порядка.

Управление всеми каналами согласно разработанным алгоритма осуществляется контроллером. Разработанная структурная схема анало гична схемам для мехобработки и правки, имеет идентичные канал управления, с теми же элементами контроля управления и исполни тельными механизмами, кроме источников нагрева. Еыстродейств* электронных блоков на несколько порядков выше процесса ТСО. Расче на управляемость, устойчивость и точность, для контуров управлем САУ ТСО аналогичен расчету, проведенному для САУ механической о£ работки. При введении отрицательной обратной связи результатиру! шая характеристика обьекта идет более полого, чем характеристш объекта без обратной связи, т.е. при одном и том же входном во: действии Е£< , с учетом обратной связи напряжение на выходе меныш Если коэффициент усиления обьекта Ko=(E^+Efc)/ Е( Е£, для стандар' ного тела, а контур обратной связи имеет коэффициент усиления Кр то из выражения Е0ыл= ^/(l+KgK^J-Kff^ , где К=Ко/(1+КрКи(.),сл1 дует , что при К К - i коэффициент САУ К обращается в бесконе

ность, практически это значит, что линейное звено(объект управления) становится астатическим.

Структурные схемы САУ для механической обработки разработаны применительно к технологическим системам с сосредоточенными и распределенными параметрами. В структурной схеме объекта, для моделей с сосредоточенными параметрами, с двумя контурами управления для подсистем ПДО и ПРС, одновременно контролируется несколько выходных параметров:

а) смещение оси деталей и ее амплитуда колебания;

б) амплитуда относительных колебаний инструмента и детали, а контроль и управление этими параметрами производится в процессе резания. При этом поведение технологической системы (ее динамические характеристики) зависит только от параметров САУ. Естественная связь, которая существует в упругой системе станка, через его узлы в данном случае не оказывает взаимного влияния. Главными формообразующими узлами теперь являются управляемые ПДО и ПРС, только их динамические параметры являются основооопределяюпщми, которые в свою очередь зависят только от параметров контуров управления.

Передаточная функция, связывающая выходные параметры с внешним воздействием, с одновременным учетом двух контуров управления выражается следующим образом

АУ(3) W(S) [ (1-W (3) W (3) - W (3) ] [ 1 - W (3) W (3) +W (3))

» Ъ b V 3 ii

V(S)=--- . (24)

PCS) Cl+Wy(S)]-[l-Wa(S)W3(S)+Wi(S)Kl-Va(S)W3CS)] Здесь W, (S)=yi'(S)/PCS)=K#./(l+TAS + Т*5)г; WA(S)=y,"(S)/SUS) = кз /(1S+Tf s5; (3) (3) /у) (3) -J^ /(1+T, ;

У, (S)/P(S)=W (S) W (S)/I1-W (3) W (3) hz. /з а. з

- передаточные функции, составленные согласно линейных неоднородных дифференциальных уравнений второго порядка двухмассовой модели. Передаточная функция контуров управления Wy (S) = д У( 3) /У( S) =Ку /(1 +Ту 3).

Анализ АФЧХ обьекта в целом (ТС и САУ) даже с учетом нелинейности процесса резания показал, что статические и динамические перемещения инструмента и обрабатываемой детали уменьшаются в несколько раз, в зависимости от жесткости процесса резания, а устойчивость технологической системы определяется параметрами контуров управления. Усложнения структурных схем контуров управления, введение апериодических звеньев второго и вше порядка принципиально

не изменяют физическую сторону протекающих процессов при управлении, но усложняют расчеты и исследования. Передаточная функция (20) реализуется параллельно соединенными звеньями направленного действия.

Анализ и сопоставление решений (19) и передаточных функций (20) для случая возбуждения демпфированной системы произвольно-распределенной гармонической нагрузкой и сосредоточенной гармонической силой показывает, что коэффициенты усиления К ^различных форм пропорциональны квадратам постоянных времени и поэтому пропорциональны и обратно пропорциональны дг . Количество звеньев схемы (число членов ряда 10) достаточное для достижения требуемой точности мехобработки, зависит от физических свойств^, Е) и размеров (Ь,Л детали, а также от близости зон частот вынужденных колебаний и собственных частот. Если частоты вынужденных колебаний далеки от собственных (и) ^ 0,7р), то достаточно оставить 2-3 члена. Таким образом передаточная функция подсистемы "МВД-опоры" с . распределенными параметрами приводится к сумме нескольких стандартных звеньев с сосредоточенными параметрами, соединенных параллельно, как многоконтурная, многосвязная структурная схема с тремя точками входа и выхода, вход -управляющие усилия, а выход -перемещение оси заготовки. Связи контуров управления осуществляются через объект и введенные в рассмотрение передаточные функции объекта управления \*'1з(3). В сечении на объект действует сила резания Р^. усилие связанное с неуравновешенностью вала Р и управляющие усилия Р, . которая действует на обьект через передаточную функцию №,(3)

' I "

и вызывает смещение оси детали в сечении 1-У . Результирующие усилия Р^ и , действующие соответственно в сечениях 2 и 3, вызывают в сечении 1 через передаточные функции ^ (3) и ^/3) смещение оси У^'и У"'. Полное смещение У - амплитуда колебаний получается сложением слагаемых

В теоретическом варианте САУ, как и для модели с сосредоточенными параметрами, представлена тремя звеньями: первичным преобразователем 3), усилителем (3) и исполнительным устройство»,

(3). Отличительной особенностью рассматриваемой САУ является тс обстоятельство, что стабилизация положения оси детали в сеченш 2... п, путем увеличения жесткости подсистемы ПДО, снижает уровеш колебаний и стабилизирует оси детали в сечении 1, т. к. контуры управления 2... п образуют отрицательную обратную связь. Одновременнс разрабатывалась и анализировалась САУ, где входом и выходом в объекте управления являются перемещения оси детали и амплитуда ее колебаний. Динамический анализ - построение АФЧХ - проводился дл:

одного контура управления. Сопоставление АФЧХ объекта без САУ и системы в целом показало, что введение контура управления уменьшает радиус-вектор годографа в 2-3 раза в частотном диапазоне СИЗО Гц, следовательно, повышается запас устойчивости по глубине резания. Реализация распределенного управления колеблющимся валом технически затруднен, и поэтому был разработан модальный метод, который приводит к автономным контурам управления, где управляющие воздействия приложены в зонах пучностей первых мод колебаний {%— =2^5) и поэтому управляющие воздействия будут функцией одного лишь времени. Для каждого автономного управления можно применять ПИ-закон регулирования, обеспечивающий минимизацию среднеквадратичной ошибки. Доказана приближенная управляемость технологической системы при использовании модального подхода для построения управления жесткостью и виброустойчивостью подсистемы маложесткая деталь-опоры.

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ И СТАБИЛЬНОСТИ ДЛИННОМЕРНЫХ ДЕТАЛЕЙ МАЛОЙ ЖЕСТКОСТИ ПУТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ (РАЗДЕЛ 4)

Теоретические исследования технологического процесса изготовления маложестких деталей доказали целесообразность применения САУ к основополагающим процессам холодной правки, термообработки и точению.

Суть нового решения состоит в изменении последовательности традиционных технологичеких операций за счет введения динамической правки заготовки с последующим нанесением заданной глубины деформированного слоя, непосредственно перед черновой и чистовой обработкой, так и после них, кроме того, в процессе черновой и чистовой обработки сохраняют глубину и характер напряжений за счет исключения и перераспределения поверхностных напряжений, возникающих непосредственно в процессе механической обработки нежестких деталей с учетом меняющихся динамических характеристик самого процесса резания.

Перед черновой и чистовой механической обработкой заготовку автоматически правят, для чего устанавливают ее в самоцентрирующие парные кольцевые люнеты, которые расставляют в зоне узлов и пучностей основных высших форм изгибных колебаний (Зт5 моды) обрабатываемой детали. Затем вращают деталь и прикладывают заданные уси-

лия правки в каждой паре кольцевых люнетов, соответственно равные по величине и противоположенные по направлению, для чего измеряют реакции в кольцевых люнетах от переменных составляющих усилий правки по амплитуде и частоте. Продолжительность цикла правки на данном этапе определяют автоматически, исходя из равенства реакций от переменных составляющих сил в средней и крайних парах кольцевых люнетов. На втором этапе правки автоматически увеличивают частоту вращения детали до скорости, равной скорости поверхностного пластического деформирования, одновременно изменяют и фиксируют, запоминают разность амплитуд реакций от силовых воздействий в четных и нечетных попарных кольцевых люнетах с частотой второй и третьей гармоник.

Разработал станок для холодной правки, который включает в себя: привод вращения заготовки и семь правильных модулей, в каждом из которых встроены два управляемых люнета, оснащенных двумя автономными контурами управления по усилию и упруго-пластической деформации заготовки. Одновременно контролируются начальная кривизна, величина перегиба и остаточный прогиб заготовки, а также ее текущая жесткость при изгибе, как производная от усилия правки по величине деформации, последнее позволяет определить величину пластической деформации в зоне приложения усилий правки. Управление процессом правки осуществляется программированным контроллером. Разработан алгоритм правки для гладких и ступенчатых валов в продольном и поперечном направлениях.

Для минимизации технологической наследственности передаваемыми операциями закалки, холодной правки и мехобработки, путем снижения уровня и неравномерности распределения остаточных напряжений по всему объему заготовки была разработана специальная установка для термосиловой обработки ТСО применительно к операции отпуска Суть этой операции в следующем: заготовку, предварительно проточенную, правленную и закаленную (если это требуется по техпаспорту) , устанавливают в электропечь. Последняя выполнена многосекционной, а температура нагрева заготовки стабилизируется автоматически по длине и в функции поперечной пластической деформации заготовки может понижаться с целью выравнивания физико-механических свойств и равномерного пластического деформирования по всей длине заготовки. В процессе управляемого нагрева к заготовке прикладывают осевую растягивающую нагрузку с заданной величиной и скоростью пластического деформирования и одновременно контролируют диаметральный размер заготовки-утонение шеек вала по всей ее длине, е зонах локального нагрева При достижении равенства диаметров -

утонения по всей длине заготовки в пределах величины заданного осевого деформирования, отключают осевое деформирование, жестко фиксируют заготовку относительно стапеля и управляют процессом охлаждения, стабилизируя температуру по длине заготовки.

Установка включает в себя электропечь, установленную в стапель, привод осевой деформации и два взаимосвязанных контура управления поперечной деформации и нагрева-охлаждения, каждый из которых имеет первичные преобразователи, усилители, контуры управления и сервопривода. Управление и контроль техпроцесса осуществляются программированным контроллером. Разработаны алгоритмы термосиловой обработки для хрупких и упрочняющихся материалов, а также имеюших фазовые превращения.

При разработке новых способов закалки с целью стабилизации геометрических форм детали, а также устранения технологической наследственности от предыдущих операций, заготовка проходит термообработку - закалку в жестко фиксированном положении относительно стапеля. Стапель в сборе с заготовкой нагревают и выдерживают на заданной техпроцессом температуре. В период нагрева происходит осевая пластическая деформация, за счет разности коэффициентов линейного расширения стапеля и заготовки. При остывании заготовка находится в натянутом состоянии до заданной температуры, за счет разной скорости теплосьема стапеля и заготовки. Стапель выполнен многослойным с дополнительным обьемом, заполненным материалом с низким коэффициентом теплопроводности, при этом время охлаждения стапеля в несколько раз больше времени охлаждения изделия, а коэффициент линейного расширения материала стапеля больше коэффициента температурного расширения вала На ступенчатую заготовку типа "вал" установлены радиаторы охлаждения в виде дисков с радиальными пазами, а по концам изделия закреплены сферические пяты. Стапель может быть выполнен сборно-секционным, последнее позволяет увеличить величину пластической деформации.

Создание станков повышенной точности не решает задачу мехоб-работки маложестких деталей, т. к. в этом случае точность и качество обрабатываемых поверхностей деталей определяется их динамическими параметрами. Одним из эффективных методов, позволяющих 'решить задачу, связанную с обработкой маложестких деталей, является встройка в технологическую систему станка системы автоматического управления. Технологическая система станка предсивалена двумя формообразующими подсистемами "деталь-опоры" и "резец-суппорт" ( раздел 2)т имеет и две независимых системы управления. Одна управляет по-

ложением инструмента в статике и динамике, другая обеспечивает стабильность положения оси заготовки при ее обработке. САУ управления положением инструмента двухконтурная, первый контур стабилизирует положение вершины резца по- оси У, обеспечивая радиальую точность детали. Второй контур формирует качество поверхностного слоя - микрорельеф, уровень и равномерное распределение остаточных напряжений. Для создания и равнонапряженного слоя на поверхности детали в течении одного оборота и далее на всей поверхности готовой детали необходимо управлять переменными составляющими сил резания так, чтобы в течение одного оборота детали амплитуды колебаний этих сил были минимальными и равны между собой. Величина минимума переменной силы определяется ошибкой слежения контура управления.

Контур разделен на три'канала, первый минимизирует переменную составляющую силы Рх в течении одного оборота заготовки и стабилизирует ее на всем протяжениии сьема металла, т.е. инструмент, имея рабочую продольную передачу, получает дополнительно управляемые малые перемещения, которые накладываются на большие -рабочие, создавая равномерный сьем (плошадь сьема в течении одного оборота постоянна) металла и, следовательно, стабилизируя постоянную и переменную составляющую силы резания Р , что приводит к стабилизации переменных составляющих Ру и Второй канал обеспечивает осциллирующее движение инструмента с определенным уровнем по амплитуде и частоте колебаний, последние определяются в функции режимов резания, физико-химических свойств обрабатываемого материала, качеством обрабатываемой поверхности детали. Верхний предел по частоте обработке определяется быстродействием сервопривода. Для компенсации размерного износа режущей кромки инструмента, во второй контур управления введен третий канал, работающий совместно с первым контуром управления. С увеличением размерного износа увеличивается постоянная составляющая Рх , а следовательно растет и величина выходного сигнала первичного преобразователя, который преобразуется в блоке управления и управляющий сигнал с первичного преобразователя компенсирует положения инструмента в радиальном направлении по оси У, коррекция управляющего сигнала осуществляется всегда с одним знаком, ограничительным критерием износа являются автоколебания, возникающие при резании. Уровень автоколебаний устанавливается задатчиком, встроенным в блок размерного износа. Работа двух контуров взаимосвязана через процесс резания и через каналы управления. САУ оснащена стандартными первичными преобразователями ли-

нейных перемещений, злектрогидропреобразователями,исполнительными силовыми гидроприводами и разработанным блоком управ.4яия. Разработанный управляемый двухкоординатный резцедержател.уиспользуется для обработки деталей любых геометрических соотношений.

Для обработки длинномерных маложестких деталей разработана установка, оснащенная САУ, которая крепится на станине станка и включает в себя форму с расположенными на ней самоцентрирующими люнетами-СИЛ, минимальное количество которых семь, они устанавливаются в зонах и узлах пучности третьей и выше формы колебаний. СДЛ могут работать как жесткие опоры и как демпферы. Режим назначается в зависимости от геометрии заготовки и динамики процесса резания. Заготовка центрируется тремя спаренными роликами, установленными на рычагах СИЛ, которые имеют один управляемый электрогидропривод с обратной связью по положению роликов относительно обработанной поверхности. Каждый СЦЛ управляется автономным контуром, включающим первичный преобразователь, дифференциальный усилитель, задатчик положения и электрогидропривод. Алгоритм режима работы люнетов и их последовательность включения выполняется программированным контроллером, последний управляет и режимом работы двухкоординатного управляемого резцедержателя.

Длинномерные заготовки с соотношением длин к ди^мртрам больше ста требуют введения дополнительных люнетов для обеспечения равномерности и двухрезцовую обработку от задней и от передней бабок, а также контур управления величиной продольной подачи с целью компенсации приращений поверхностных напряжений по длине заготовки.

Разработанные технололгические методы мехобоаботки длинномерных деталей применительно к точению успешно используются для процессов шлифования, ШД и фрезерования шпоночных пазов.

Технологической особенностью разработанного метода является совмещение технологической и конструкторской базы, отсутствие осевых сил поджатия, что приводит к увеличению точности обработки в продольном и поперечном сечениях, к исключению технологической наследственности от условий крепления заготовки.

Рациональное место расположения жестких опор и опор-демпферов приводит к распределению добротности взаимосвязанных механических контуров, а следовательно, к улучшению диссипативных свойств контакта инструмент - деталь в зоне резания, последнее уменьшает циклическую нагруженность режущего клина, вызванную быстрыми и медленными движениями, улучшает качество формообразования обрабатываемых поверхностей. Таким образом, использование разработанного ме-

тода позволяет, наряду с повышением точностных показателей обработки, повысить эксплуатационные характеристики обрабатываемой детали за счет минимизации и равновесного распределения уровня остаточных напряжений на поверхности готовых изделий, повысить устойчивость протекания технологического процесса в целом.

Разработана технология мехобработки для длинномерных ШД малого диаметра, суть которой приложение осевой растягивающей силы -статической и динамической. При растяжении собственная частота обрабатываемой детали возрастает, что приводит к смещению спектра в сторону их роста и одновременно уменьшается амплитуда колебаний по соответствующим формам.

Разработаны установки для мехобработки пустотелых длинномерных деталей по наружным и внутренним поверхностям типа "труба", оснащенные САУ. Положение заготовки в процессе точения обеспечивает установка, оснащенная управляемым СЦЛ, а технологическая подсистема - резцедержавка-борштанга в виде самонастраивающейся резонирующей волноводной механической системы, состоящей из волновод-ного преобразователя комплексных ультразвуковых колебаний с преобладанием крутгльной составляющей, выполненного в виде наклонных волноводных винтовых канавок, равноудаленных друг относительно друга с переменным шагом, уменьшающимся в сторону крепления режущих пластин твердого сплава, совпадающих с направлением скорости резания. Настройку на наиболее информативные частоты спектра колебательных смещений инструмента, связанные с износом режущего инструмента, качеством формообразования поверхности обрабатываемой детали, а также амплитудного значения циклической нагруженности I колебательной скорости режущих клиньев инструмента, осуществляют на основе априорной информации самообучения при контрольной обработке или с помощью .системы автоматической настройки. Кроме того, с целью исправления оси заготовки с одновременным нанесением поверхностно-пластического деформирования в процессе резания борш-танга дополнительно снабжена полуволноводной для крутильной составляющей ультразвуковых колебаний силовой головкой, включающе] один режущий клин и две пластины твердого сплава со стандартным) геометрическими параметрами, соответствующими обработке поверхностно-пластическим деформированием и конструктивно образующие с ре жушлм клином уравновешенный-скомпенсированный силовой равнобедрен ный треугольник. В основу разработанного технологического метод положены особенности исследований динамических явлений в зоне ре зания при высокочастотных вибрационных методах обработки, приводя

них к вибрационной линеаризации низкочастотных вибраций в направлении действия Р и существенному уменьшению составляющих сил резания, а следовательно уменьшению общей энергоемкости процесса разрушения в целом и^как следствие,- улучшению качества формирования поверхностного слоя, повышения точности обработки за счет локализации зон пластического деформирования, повышения динамической жесткости обрабатываемых маложестких деталей и эффекту заострения режущего инструмента при условии значительного снижения температуры в зоне резания.

Согласно разработанной технологии перед финишной операцией проводится виброобработка, с целью минимизации, и стабилизации остаточных напряжений. Разработан новый метод виброобработки, который заключается в том, что длинномерный вал закрепляется вертикально одним концом жестко к заделке, а ко второму концу прикладывался крутящий момент, переменный по знаку, при этом частота воздействия равна собственной частоте крутильных колебаний детали. В результате воздействия крутильных колебаний на первых трех модах в теле вала происходит перераспределение внутренней энергии, создается равновесное остаточное напряжение по его обьему. Спроектирована и изготовлена вибрационная установка. В качестве механизма возбуждения крутильных колебаний применяется мех; лический вибратор, имеющий два эксцентрика, синфазно вращающихся в одной плоскости с одинаковой частотой. В качестве первичного преобразователя . применен пьезоэлектрический датчик инерционного действия. Установка оснащена САУ, которая работает по жесткому алгоритму - поиск и запоминание первых трех мод крутильных колебаний и работа вибратора на каждой моде, начиная с третьей, до тех пор, пока потребляемый ток электропривода не упадет как минимум на

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗМЕРНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ, ТОЧНОСТИ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЛИННОМЕРНЫX ДЕТАЛЕЙ МАЛОЙ ЖЕСТКОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ (РАЗДЕЛ 5)

Исследования, проведенные на базе теоретических разработок, позволили создать новые технологические методы обработки длинномерных МЖД, реализованные в установках для холодной правки, закалки, отпуска, точения и виброобработки. Экспериментальные исследования проводились на каждой установке в отдельности, с целью подт-

верждения теоретических разработок апробировалась технология в целом.

Реализация разработанной технологии проводилась на валах, изготовленных ив нержавеющих сталей, имеющих упрочняющую характеристику материала. Операция холодной правки не была окончательной, а была применена как одна из формирующих продольную геометрическую точность после чернового точения перед термообработкой. В зависимости от служебного назначения готового изделия, требуемой точности и надежности, операция холодной правки может быть и окончательной.

Результаты проводимых замеров после правки на установке, оснащенной САУ, показывают, что изменение максимального биения после выдержки до 72 часов находятся в пределах 15+25%, что свидетельствует о стабильности формы за счет минимизации неравномерного и неравновесного распределения остаточных напряжений первого рода.

Разработанный метод правки с вращением и пластическим изгибом в зонах и узлах пучности с применением САУ позволяет достичь точности 25т30 мкм/м, снизить трудоемкость изготовления и материалоемкость заготовок. Разработанная установка для холодной правки может быть использована и на окончательных - чистовых операциях, когда эксплуатационная точность, с учетом релаксационных процессов, находится в пределах 0,1т0,5 мм/м, например, для холодной правки длинномерных ходовых винтов.

Установка, применяемая при закалке вала в стапеле, который при нагревании за счет разности коэффициентов линейного расширения с заготовкой, при температуре закалки обеспечивается пластическое деформирование детали "горячая правка". Обеспечение постоянной осевой нагрузки осуществляется за счет наполнения многослойного стапеля кварцевым песком. Температурный режим термообработки стандартный - То=1000т1050 С?Термообработка (закалка) с использованием разработанной установки позволила свести биение вала до величины эксцентриситета заготовки. Разброс по твердости не превышает 10-15% на всю длину.

Исследования ТСО проводились в диапазоне температур, обеспечивающих максимальную стабильность <5 (Тс- 300т400 С°) для нержа-

вг

веюших сталей. Равномерность пластической деформации оценивалась критерием локальности СЛ. = £ /£ . ). Алгоритм управления про-

люх min

цессом отпуска позволил обеспечить равномерную пластическую деформацию, по критерию локальности в зонах и узлах пучности не выше шестой моды, за счет управления температурными и силовыми режимами

при нагружении и разгрузке.

Оценивая результаты исследований ТСО следует отметить, что предлагаемый технологический прием обеспечивает выравнивание физ-мехсвойств материала, однородность распределения пластической деформации по всему объему заготовки, минимизирует уровень остаточных напряжений и как следствие, снижает коробление вала как минимум в 25-27 раз по сравнению с традиционным методом, когда заготовка при темпертуре отпуска находилась в свободном состоянии. Исследования показали, что в предлагаемых режимах нет изменения структуры металла, отсутствует фазовое превращение, à плоскость максимальных деформаций изменяется в пределах 20-40° за счет влияния касательных напряжений.

Управлять уровнем остаточных напряжений только с помощью пластических деформаций необходимо в начальной стадии процесса охлаждения, когда предел текучести низкий и существует слабая зависимость предела текучести от температуры. Ускоренная оценка релаксационных процессов проводилась за счет виброобработки на резонансных частотах первых трех мод.

Экспериментальные исследования установок, проведенные в цеховых условиях, применительно к токарным станкам, для заготовок диаметром 30-100 мм и длиной до 350 мм подтвердили достоверность теоретических разработок. Точность обработки с применением САУ для подсистем ПДО и ПРО повысилась в 2-3 раза в поперечном и в 6-10 раз в продольном сечениях в зависимости от режимов резания и физ-мехсвойств материала заготовки и определялась не состоянием упругой системы станка, а динамическими и точностными параметрами контуров управления. Возросла производительность в 3-4 раза Особенностью технологии является то,что в процессе точения на всех операциях минимизируется и выравнивается уровень остаточных поверхностных напряжений на всей длине заготовки, последнее связано со стабилизацией сил резания, их снижения и повышения точностных параметров изделия.

Черновая мехобработка для заготовок с отношением длин к диаметрам не более двенадцати с большими неравномерными припусками по сечениям, проводилась на двухрезцовом суппорте, резцы которого самоустанавливались под действием осевых сил резания Р„ и Р* , а обратную связь по положению выполнял сам процесс резания. Точение самоустанавливающимися резцами не имеет ограничений по производительности при обеспечении заданной точности на черновую обработку, но не дает заданного качества поверхности.

Технология мехобработки длинномерных труб для наружных ¡ внутренних поверхностей включает в себя разработку методолога волноводной настройки параметров зоны стружкообразования и резонирующего режущего инструмента для обеспечения условия резания подобно вибрационному резанию, используя в качестве источника динамического воздействия энергию самого процесса резания. Экспериментально найдены режимы резания, при которых уменьшаются осевая силе резания и крутящий момент, а определяющие точностные характеристики и параметры шероховатости улучшаются в 7^8 раз. Применение CAÍ и СЦЛ с волноводной борштангой обеспечивает равносторонность пустотелых деталей, что способствует стабилизации формы готовых изделий.

Разработанная технология изготовления МЖД предусматриваем проведение виброобработки перед чистовым точением, т. к. она сопровождается незначительными деформациями. Виброобработка проводилас) в частотном диапазоне 15т100 Гц, а время обработки на третьей мод< 15Мб мин, а второй и первой 7т8 мин. Падение тока потребления h¡ электродвигателе не превышало Ют 13% на третьей моде и 1т5% н< второй и первой. Очевидно, такая зависимость связана с максимальным снижением уровня остаточных напряжений в первом цикле нагруже-ния. Виброобработанные заготовки после точения увеличивали стрел; прогиба порядка 0,01 мм.

Опыты показали, что чем больше сьем металла с заготовки, те; больше уровень остаточных напряжений и больше величина коробления Чем меньше жесткость виброобрабатываемых деталей, тем больше эф фект от виброобработки, коробление уменьшается в 5^7 раз, при пос тоянстве физикомеханических свойств и усталостной прочности мате риала

Технологический маршрут, по укрупненной схеме, изготовлени длинномерных МВД включает в себя черновое точение, холодную прав ку, закалку, стабилизирующий отпуск, получистовое точение, виброс табилизацию, чистовое точение, фрезерование шпоночных пазов, хра нение и транспортировку в спутнике. Для реализации технологии был разработаны и изготовлены установки согласно предложенной техно логии.

Разработан и расчитац с учетом техникоэкономических показате лей участок для изготовления валов-роторов турбокомпрессорног оборудования.

Внедрение на П0"Волгоцеммаш",П0 АвтоВАЗ,заводе ГАРО, Азотрек маш, Кременмаш, и др. установок для изготовления длинномерных Ш

и новых технологических методов обработки по сравнению с базовой технологией дало возможность повысить размерную стабильность формы МЖД, точность и производительность, сйизить металлоемкость заготовок и энергоемкость техпроцесса за счет исключения многократных промежуточных термических обработок (отпуска). Экономический эффект от внедрения составляет более 500 т. рублей.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. В результате выполненных комплексных исследований и разработок решена научная проблема в области технологии машиностроения, имеюшая важное народнохозяйственное значение, заключающаяся в создании совокупности методов автоматического управления процессами обработки маложестких длинномерных деталей, холодной правки, термообработки, механической обработки и вибростабилизации, которые базируются на раскрытых закономерносиях упруго-пластического деформированного поведения деталей, математическом описании и построении структурных схем технологических систем для получения требуемой точности формы и качества поверхности.

2. Технологические методы управления точностью и стабильностью формы маложестких деталей должны базироваться на разработанном математическом описании процессов поведения обрабатываемого материала детали, основанном на изучении внутренних свойств металла и внешних, основанных на взаимодействии заготовки с технологическими воздействиями при формировании ее физмехсвойств и геометрических параметров с использованием математических моделей и структурных схем, а также алгоритмов управления. Выявленные связи упруго-пластического состояния детали с технологическими параметрами процессов обработки, показателями точности и стабильности форм воплощены в новых способах холодной правки, термообработки, механической обработки, вибросгабилизации и автоматического управления этими процессами и защищены пятьюдесятью авторскими свидетельствами.

3. Математические модели, положенные в основу функционирования технологических методов управления точностью и стабильностью формы маложестких деталей, устанавливают связи между точностью изготовления и основными технологическими факторами: размерами, физ-мехсвойствами заготовки и параметрами технологических систем в квазистатических и динамических режимах, величиной и положением

оси заготовки в процессе ее обработки, а также геометрическими погрешностями установок и приспособлений. Структура моделей и алгоритмы функционирования позволяют использовать для расчета управляемых параметров и регулиоующих воздействий ЭВМ.

4. В основу предложенных технологических методов управления точностью формообразования и ее сохранения положено условие стабилизации или компенсации прогиба оси заготовки в зонах и узлах пучности первых трех мод. На основании законов механики твердого тела, теории упругости и пластичности динамики станков, металловедения и положений теории управления построены законы автоматического управления точностью и стабильностью форм на операциях холодной правки, термообработки - закалки и отпуска, точения и виброобработки, разработаны алгоритмы и программы управления параметрами упруго-пластического деформирования под действием продольно-поперечных нагрузок (в зависимости от технологической операции), рассмотрены особенности управления изгибными колебаниями упругодефор-мированных маложестких длинномерных деталей типа "вал".

5. Созданы стационарные и динамические модели основополагающих процессов правки, термообработки и мехобработки с распределенными параметрами, они позволяют осуществить анализ и синтез технологических систем, при этом на основе метода начальных параметров в матричной форме разработаны алгоритмы и методики расчета характеристик указанных процессов.

6. Получено модальное представление процесса управления системами с распределенными параметрами, которые могут быть использованы для целей моделирования и синтеза автономных систем управления высокого качества. Показана возможность управления системами посредством сепаратных контуров с сосредоточенными параметрами. Их управляющее воздействие приложено к системе дискретно в зонах и узлах пучности трех первых собственных форм колебаний приме-нитетельно ко всем основополагающим технологическим процессам обработки длинномерных маложестких деталей.

7. Показано, применительно к механической обработке точение, шлифование и т.д., что методом отыскания оптимальных параметров упругой системы станка можно обеспечить отсутствие колебаний заготовки, а также относительных смещений инструмента и детали при использовании только отдельных контуров САУ с сосредоточенными параметрами.

8. Разработана динамическая структура технологической системы мехобработки с учетом процесса резания. Она включает в сей>

три или четыре параллельные ветви, каждая из которых охвачена положительной обратной связью по перемещению и формирует соответствующую составляющую колебаний. Получены передаточные функции объекта - технологической системы, при этом показано, что технологическая система ( в рамках принятой модели) представляет собой сложную колебательную систему. Последняя описывается уравнением шестого порядка и характеризуется наличием в колебательных контурах взаимных перекрещивающихся внутренних связей.

9. Установлена возможность поднасгройки технологических систем посредством автоматического управления упругими системами путем введения дополнительных отрицательных обратных связей по усилиям резания, упруго-пластической деформации, по возмушаюшим воздействиям при управлении параметрами точности и стабильности формы.

10. Для автоматизации и управления процессом обработки упруго-деформированных деталей разработаны и исследованы технологические средства автоматизации и управления податливостью элементов технологических систем при мехобработке маложестких валов: упруго-деформированным состоянием маложестких деталей за счет приложения осевых растягивающих сил и стабилизации усилий поджатия и функции температурных деформаций: конструкции задних бабок станков; устройства для двух резцового точения с уравновешиванием сил резания; способы и устройства для управления обработкой тонкостенных длинномерных деталей в упругодеформированном состоянии.

И. Разработаны и реализованы специальные установки для холодной правки, черновой и чистовой токарной обработки, горячей правки в стапеле при температуре закалки, термостабилизации при температуре отпуска, виброобработки, фрезерованию шпоночных пазов. Они оснащены системами управления или саморегулировки ( для горячей правки) технологическими параметрами.

12. Разработана и апробирована новая технология изготовления длинномерных маложестких деталей типа "вал" длиной до 3500 мм и диаметром от 10т110 мм, изготовленных из конструкционных, нержавеющих сталей. Технология предусматривает использование из всех разработанных установок две-три, в зависимости от точности и служебного назначения готовых изделий.

13. Внедрение разработанных на основе нового научного принципа - управления упруго-пластическим деформированием в процессе обработки - технологических методов и установок, оснащенных системами автоматического управления, позволили решить проблему изготов-

ления длинномерных осесимметричных маложестких деталей типа "вал", эксплуатационная точность которых 15-20 мкм/м, производительность в 5-7 раз выше традиционной, при обеспечении требуемого качества поверхности.

Экономический эффект, полученный за счет знерго-металлосбере-гающей технологии, высокой эксплуатационной точности готовых изделий валов-роторов и автоматизации техпроцесса, составляет более 500 т. р. в год.

Теоретические положения и практические разработки внедрены в учебный процесс, обобщены в учебно-методических разработках и опубликованы в 104 научных работах.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Драчев О. И., Скиданенко Е И. , Управление вынужденными колебаниями при обработке на металлорежущих станках// Алгоритмизация и автоматизация технолгических процессов и промышленных установок. -Куйбышев: КуМ, 1985. -Вып. 6. -С. 62-66.

2. Драчев О. И. , Равва Ж. С., Управление уровнем относительных колебаний в процессе резания // Алгоритмизация и автоматизация технологических процессов и промышленных установок. -Куйбышев: КуАИ, 1975. -Вып. 6. -С. 59-62.

3. Драчев О. И. Повышение качества обработки на токарных станках за счет автоматической стабилизации оси детали и вершины резце //Алгоритмы, средства и системы автоматического управления: Тез. докл. ВНТК . - Волгоград, 1984. - с. 119-120.

4. Драчев О. И. Миниминизация вибраций при резании путем автоматического управления подсистемой "резец-суппорт"//Алгоритмизацш и автоматизация техпроцессов и промышленных установок. -Куйбышев: КуАИ, 1980. -Вьш. 11. -С. 120-124.

5. Драчев О. И. Об эффективности одновременного управлени; подсистемами "резец-суппорт" и "деталь-опора"//Алгоритмизация ] автоматизация технологических процессов и промышленных установок. -Куйбышев: КуАИ, 1979.-Вып. 10. -С. 44-47.

6. Драчев О. И. , Иванов О. И. Разаработка моделей звеньев CA точностью обработки//Автоматическое управление технологическим процессами и промышленными установками. -Куйбышев: КуАИ, 1984 -С. 40-43.

7. Драчев 0. И., Иванов О. И. Анализ динамических моделей подсистемы "деталь-опоры"//Идентификация и автоматизация технологических процессов и промышленных установок. -Куйбышев: КуАИ, 1983. -С. 129-142.

8. Драчев О. И. Автоматическая система управления обработки маложестких деталей //Алгоритмы и системы управления промышленными установками в машиностроении. -Куйбышев: КуАИ, 1963. -С. 42-47.

9. Драчев О. И. , Иванов О. И. Анализ динамических моделей подсистемы "деталь-опоры"//Прогрессивная технология, процессы, оборудование и инструмент. -Темат. сборник научн. трудов. -Харьков: ХАИ, 1987. -С. 95-100

10. Драчев О. К , Иванов 0. К Некоторые вопросы расчетов динамических характеристик процесса механической обработки маложестких деталей на станках с ЧПУ//Динамика станков с ЧПУ. -Куйбышев КуАИ,

1986. -0.100-108.

11. Драчев О. И. Автоматическое управление процессом точения. -М. ВИНИТИ, 1988. -N6. -278 с.

12. Драчев О. И. , Скиданенко В. И. Технологические особенности обработки мапожестких деталей при автоматизированном процессе ме-ханичской обработке с учетом внешних случайных воздействий//Техно-логия и автоматизация машиностроения. -К: Техника,

1987.-Вып. 40.-С. 37-41.

13. Драчев О. И. , Скиданенко В. И. Расчет фазовых превращений при поверхностной упрочняющей обработке//Технология и автоматизация машиностроения. -К : Техника, 1988. -Вып. 42. -С. 42-44.

14. Драчев 0. К , Скиданенко В. И. Возможности управления остаточными напряжениями при гермомеханической обработке маложестких деталей// Технология и автоматизация машиностроения: -К.: Техника., 1989. -Вып. 40. -С. 27-31.

15. Драчев О. И., Скиданенко В. И. О возможности управления осевыми нагрузками при термомеханической обработке осесимметричных деталей// Идентификация и автоматизация технологических процессов в машиностроении. -Куйбышев: КуАИ, 1988. -С. 99-104.

16. Драчев О. И., Иванов 0. И. Некоторые вопросы механической обработки маложестких валов из нержавеющих сталей// Оптимизация процессов резания жаро и особопрочных материалов: Межвуз. науч. сб. Уфимск. авиац. ин-т. -Уфа, 1986. -С. 160-163.

17. Драчев О. И. , Иванов О. И. Оптимальное управление демпфированием колебаний стрежней. //Технология и автоматизация машиностроения: -Т.: Техника, 1989. - Вып. 46. -С. 39-46.

X

I

3.

'¡г £

18. Драчев о. И., Скиданенко В. И. Управление уровнем остаточны напряжений в маложестких деталях//Прогрессивные технологически процессы в машиностроении: Сб. Науч. трудов-Л.: ЛПИ, 1990. -С. 14-18.

19. Драчев О. И. , Мазур Е К. Расчет внутренних напряжений пр точении от осевого поджатия//Технология и автоматизация машиност роения: -К.: Техника, 1990. -Вып. 46. -С. 66-69.

20 Драчев О. И. , Тараненко Е А. Экспериментальное исследован* структуры модели упругой системы токарного станке -Востн. Харьк. политехи, и-та, 1984, N 208. Машиностроение. Вып. и. -С. 18-21.

21. Драчев 0. И. Автоматическая система стабилизации геометр! ческих форм маложестких деталей при термомеханической обрабо^ ке//Алгоритмизация и автоматизация технологических процессов технических систем. -Куйбышев: КПтИ, 1990. С. 86-92.

22. Драчев О. И. Экспериментальная установка для термомехан ческой обработки деталей //Технология и автоматизация машиностро ния. -К.: Техника, 1991. -Вып. 47. -С.40-44.

23. Драчев О. И. Аналитический расчет деформаций при термост билизации длинномерных заготовок. (Технология и автоматизация и шиностроения. -К.: Техника, 1991,-Вып. 48. -С.^0-^.

24. Драчев О. И. Пути технологического воздействия на стаби; ность формы маложестких осесимметричных заготовок, (технология автоматизация машиностроения. -К : Техника, 1991-Вып. 48-С.6..-73.

Научнотехническая новизна настоящей работы защищена 53 авто] кими свидетельствами, основополагающие из которых:

684330, 900992, 973296, 1024226, 1039693, 1119825,

1137663, 1154052, 1207303, 1209367, 1220730, 1220731,

1258847, 1294482, 1344455, 136.7324, 1380910, 1397969,

1422535, 1429488, 1452015, 1533164, 1561385, 1572788,

1600184, 1653260, 1708884, полученными диссертантом как лично, так и в соавторстве.