автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Обеспечение точности и параметрической надежности токарной обработки прецизионных деталей путем прогнозирования геометрического образа обрабатываемых поверхностей

государствнпшй комитат российской федерации по шшш образованию

московская государственная академия автомобильного и тракторного машиностроения "мами"

На правах рукописи

ПХАКАДЗЕ Северная Дхумберович

обеспечение точности и параметрической надежности ' токарной обработки прецизионных деталей путем прогнозирования геометрического образа. обрабатываний поверхностей

АВТОРЕЙЕРАТ

• диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.03.01 - Процесса механической н физико-технической обработки, станки и инструмент

Москва- 1993

Работа выполнена в 1!осковско2 государственной академия автомобильного и тракторного машиностроения "МАМ" на кафедре "Автоматизированные станочные системы в инструмент"

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Пуш A.B.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Аверьянов О.И.

- кандидат технических наук, доцент Досько С.И.

Ведущее предприятие - ИСПО "Красный пролетарий"

- •. Защита состоится lCCC^C---^ 1993 г. на-заседании

специализированного Совета К 063.49.03 в Московской государственной академии автомобильного и тракторного машиностроения "UlMI!" по адресу: 105839, ГСП, Москва, Б.Семеновская ул., д.38..

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии. Отзывы на автореферат, в двух экземплярах, заверенные печатью, просиы направлять по вышеуказанному адресу, автореферат разослан " У" .1ЭЭЪ г.

Ученый секретарь специализированного Совета, мандидат технических на: V доцей*

B.C.Сидоров

онпая характеристика работы

Обеспечение точности и надежности металлообрабатывающего . оборудования является одной из важнейших проблем современного машиностроения. Металлообрабатывающие станки занимают особое место среди изделий машипостроения. С одной стороны - ото типичные представители сложных высокоэффективных машин, в которых воплощены многие достижения науки и техники. С другой стороны - это машины, предназначенные для изготовления деталей других машин. Именно станки в основном формируют те показатели качества, которые опро-даляют достоинства выпускаемых изделий. В металлорежущих станках проблема точности и надежности сводится к обеспечению точности и параметрической надежности как сташса в делом, так и его основных узлов.

При изготовлении деталей типа тел вращения, на. долю которых приходится более 30$ в общем объеме производства деталей машиностроения, преобладает токарная обработки, которая применяется на различных операциях технологического процесса. При эксплуатации токарный станок подвергается многочисленным внешним и внутренним • воздействиям. Все виды энергии, в первую очередь механическая л тепловая, действуя на станок и его механизмы, вызывают в нем.целый ряд нежелательных процессов, создают условия дга ухудшения • его механических характеристик. Зследствие чего выходные параметры точьости станка также изменяются в широких пределах, оказывая домшйруицее внимание на сформирование выходных пзрамзтрез точпо-стз деталей и параметрическую надежность процесса обработки. При финишной обработке дорогостоящих деталей на прецизионных станках /брак недопустим. Поэтому желателен и/необходим пропюз точности обработки еще до ее начала. Прогноз, дане иногда весьма трудоемкий,' оказывается.дешевле потерь от брака.

Поэтому разработка методов обеспечешм точности и параметрической надежности прецизионной токарной обработки и вопросы прогнозирования и управления выходными параметрами точности станка является актуальной научной проблемой, имеицей важное производственное значение.

Цель работы. Обеспечение точности и параметрической надежности прецизионной токарной обработки путем прогнозирования геометрического образа (ГО) обрабатываема поверхностей и целенаправленного подбора эксплуатационных нагрузок и рациональных параметров формообразуицях узлов. т

*. , Метода исследований. В теоретические исследованиях применялись метода теории надежности машин, теории расчета металлорежущих станков, теории вероятностей и математической статистики, теории ^комбинаторики, теории рядов и гарлонического анализа некоторых разделов прикладной математики.

Экспериментальные исследования проводились в реальных эксплуатационных условиях по известным методикам регистрации траекторий формообразущих узлов станка на- специальных испытательных стендах о использованием современных бесконтактных средств измерения и контроля. Для обработки данных и прогнозирования ожидаемой точности и параметрической надежности процесса обработ-. ки использовалась вычислительная техника.

Нзучнач новизна.

1. Разработан метод обеспечения точности и параметрической надежности токарной обработки прецизионных деталей, который основывается па прогнозировании -геометрического образа обрабатываемой поверхности и управлении выходными параметрами точности станка с учетом вероятностной природа действующих на технологическую : систему факторов.

2. Установлена количественная связь между соответствунцими параметрами ГО обрабатываемой поверхности и показателями качества обработанных деталей.

3. Разработана методика определения параметров прилегающих поверхностей (окружности и цилиндра) с использованием элементов комбинаторики. - : 1 • ; • '

4. Разработаны математические модели аналитического представления функции ошибок дня реальных цилиндрических и торцевых • поверхностей с использованием ортогональных многочлепов' Чебышева первого .рода, дающие возможное", разложить общую погрешность обработки на погрешность размера, фэрмы взаимного расположения поверхностей, волнистость и шероховатость, а саму исследуемую поверхность представить как сумму элементарных геометрически пра- • вильных поверхностей.

Практическая полезность.

1. Разработано-алгоритмическое и программное обеспечение формирования идеального к реального ГО обрабатываемых поверхнос--гей и методика их сравнения по параметрам точности.

2. Разработаны структура и система управления реляционной базой данных, содержащей информацию о проводимых технологически операциях а позволяющей получить статистические характеристики

. режимов нагружвнкя станков и размеров (диаметр, дана) обрабаты-

ваемых деталей, используемые для статистического моделирования.

3. Разработано специальное программное обеспечение для обработки -экспериментальной информации, для формирования областей работоспособности и состояния их статистических характеристик, для оценки качества металлренсущего станка с учетом вероятности природа ого выходных параметров точности.

4. Сформулированы рекомендации дяя осуществления управления выходными параметрами токарных станков путем целенаправленного выбора параметров различных типов опор и диапазонов эксдлуатаци--онных нагрузок.

Реализация работы. Результаты работы внедрены на Мооковскоы станкостроительном заводе "Красный пролетарий" и используются .при проектировании новых моделей токарных станков при исследованиях и испытаниях, а также а действующей САПР шпиндельных узлов ' на аэростатических опорах с (ЖШ10 "Вектор" (г.Владимир). '

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всесоюзных и Всероссийских научно-технических конференциях: "Надежность технологического оборудования, качество поверхности, трение и износ", Хабаровск, 1991 г.,; "Динамика станочных систем гибких автоматизированных производств", Нижний Новгород, 1992 г.; "Проблемы, создания- и 'эксплуатации технологического оборудования и гибких производственных систем",■ Хабаровск, 1992 г.; краевой научно-технической конференции "Повышение эффективности использования автоматизированных комплексов на предприятиях Дальнего Востока", Комсомольск-на-Амуре, 1989 г.; конференции "Повышение качества и надежности машиностроительной продук- . .ции", Луцк, 1989 г.; научно-технических семинарах в ВДНШ имени в.Э.Дзержинского, Москва, 1990, 1991 гг.; на научных семинарах на кафедре "Автоматизированные станочные системы и инструмент" МАШ.

' ' Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных статей. . '•

'Объем работа. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Диссертация содержит ¿ЦО страниц основного текста, /7 таблиц л £? рисунков.

содержание рабош

3 пеовой глэвэ диссертации на основе анализа известных трудов по общей теории точности, теории надежности машин, стаякове-дению, технологии- машиностроения, а таюке по некоторым другим смежным отраслям знаний, осуществлена постановка разрабатываемой

автором научной задачи и сформулирована общая цель и вытекающие из наэ задачи исследования.

Общим вопросом исследования и обеспечения точности и надел:-нослзиа.еталловзлаГО1Х^стаиков посвящены труды проф. Н.С.Ачеркана. «акад. В.И.Дикуппша, профессоров О.И.Аверьянова, В.В.Каминской, В.А. Куданова, З.М.Левиной, В.Э.Пуша, Д.Н.Решетова и других ученых.

'Повышению точности технологических процессов механической обработки металлов посвящены работы профессоров Б.Ы.Базрова, Б.С. ' Еалакшна, А.М.Дальского, Н.М.Капустина, А.И.Каширина, И.А.Когано-ва, Л.З.Копылова, С.Н.Корчака, З.Г.Митрофанова, Л.С. и С.Л.Мураш-киных, Э.В.Рыкова, А.П.Соколовского, Ю.М.Солоненцева, А.В.Худоби-на, А.С.Яшикова и других.

Не менее важной проблемой, чем достижение первоначальной точности станка и его узлов является сохранение этой точности в процессе эксплуатации при воздействии всего спектра нагрузок. Надежность является одним из основных показателей качества изделий, проявляицаяся во времени и отражающая.изменения происходящие в машине на протяжения всего времени эксплуатации.

. Различные аспекты гадежности станков и других технологических машин' освещены в работах А.С.Проникова, А.М.Дальского, И.В.Дунина-Барковского, Н.К.Салениекса, А.В.Пуша, Е.Г.Нахапетяна, Д.Н.Решетова, В.Н.ЗОрина, П.И.йдерицина и других ученых.

Большая часть работ по параметрической надежности-станков касается либо обеспечения надежности щ стадии изготовления, сборки и эксплуатации станков, либо разработки методов оценки надеж- . ности на этапе их подэксдлуагационных испытаний. Работ по прогнозированию параметрической надежности.мало, и в основном в них рассматриваются вопросы прогнозирования, связанные процессом износа. И лишь отдельные работы посвящен прогнозированию параметрической надежности станков при динамических или при тепловых, процесоах.

Из анализа многочисленных работ и исследований, применительно к поставленной в данной работе задаче, можно сдеЛйть выводы, что во-первых, как правило, нет разграничений метлу оценкой тех параметров станка, которые относятся к показателям качества всего станка, и тех которые определяют точность изготовления отдельных его 'элементов..'Сказанные выходные параметры металлорежущих станков в основном характеризуют точность их'отдельных узлов и, как пра- . вахо, все ввды- испытаний для их определения проводятся обособленно, пра гол, что полученные показатели еганка i-огут существенно

отличаться при последовательном и одновременном учета действующих *

факторов. Во-вторых, проблема точности л надежности в металлорежущих стапках сводится, з основном, к обеспечению параметрической наденности (¿хэркообразупцих узлов и станка в целом. В-трзтьих, параметрическая надежность должна рассчитываться на ка'кдой стадии ' эксплуатации! станка, так как чрезвычайно ватао знать будет ли станок обеспечтать заданные характеристики точности как в течение цикла обработки одного изделия, так и в течение всего срока слуг.бы, подвергаясь при этом воздействию широкого спектра эксплуатационных нагрузок. Выбор параметров станка, обеспечивающих за--, данную точность обработки, при этом ванен. 3-четзертих, прогнози-ровапло, сбеслеченио и сохранено пара1.:етрической надежности металлорежущих станков и их отдельных узлов является отдельной проблемой при обеспечении иадозноскт касил. 3-лятых, достоверным в полным подходом к прогнозированию и оценке качества и надезшости станков и их узлов является вероятностный подход, учитывая случа-йнуя природу явлений, происходящих в процессе механической обработка!. .

ТрбВовашш г. качеству и надежности технологических систем выдвигают проблему обеспечения требуемых показателей точности и параметрической падсяности могаллоро.-яупрх станков, являкцпмся его основным компонентом и в первую очередь, ■ обеспечивавдях задашшо характеристик:! точности всей технологической системы. Эта проблема решается путем разработки и внедрения рациональных значений . эксплуатационных нагрузок. "

.' Для обеспечения точности и параметрической надежности прецизионной' токарной обработки путем прогнозирования геометрического . образа обрабатываемых поверхностей деталей и целенаправленного ' подбора эксплуатационных нагрузок л параметров $ор;.:ообразувдих узлов необходимо решить следувдге основные задачи:

I. Разработать общий метод обеспечения точности и параметрической надетлости прецизионной токарной -обработки (токарной обработки процазиопных деталей) •

-2. Выявить и выбрать критерий для оценки точности л параметрической надатаости токарного с такса с вероятностных позиций, которые, учитывая целевое назначение станка, характеризует его ра- • ботоспособность в цело!.! и являются интегральным показателем качества.

3. Разработать методики построения геометрического образа обрабатываемых поверхностей, типичных для токарного стаяка ,а тшае

прнлегакцих к шш поверхностей, что необходимо для достоверной

5

ойвнди качества процесса обработки в, следовательно, исследуемого оборудования.

4. Разработать математические модели геометрических образов типовых 'поверхностей .(цилиндрических и торцевых) обработанных на токарных станках.

5. Разработать принпип, методику и алгоритм формирования базы исходных данных для статистических испытаний станка при варьируемых- эксплуатационных нагрузках.

Разработать структуру и систему управления базой данных. Разработать методику, алгоритмы и прикладные программы обработки статистической информации об эксплуатационных нагрузках, получить законы. распределения эксплуатационных нагрузок для токарных станков и, на их основе, моделировать режимы нагружения станка для проведения натурных испытаний.

6. Разработать модель параметрического отказа станка и метода" ку компенсации погрешностей обработки, обусловленных тепловыми процессами происходящими в технологической системе, позволяющие прогнозировать области состояний выходных параметров точности станка и получить их вероятностное описание как функции времени.

7. Разработать принципы а методику управления выходными параметрами токарного станка с помощью целенаправленного подбора рациональных параметров формообразуюпих узлов станка и эксплуатационных нагрузок.

8. Внедрить полученные результаты работы на предприятиях промышленности.

Во второй главе сформулированы .предпосылки и основные пологе- • ния, на базе которых разработан общий метод обеспечения точности и ' параметрической надежности токарной обработки прецизионных деталей путем.прогнозирования и управления выходными параметрами точности станка.

Рассмотрены вопросы, определяющие содержание метода, а именно: выбор, параметров точности и показателей надежности, ..являющихся критериями оценки качества исследуемого.станка; методика определения ' параметров прилегающих окружности в цилиндра, позволяющих проводить достоверную опенку достигнутой точности обработки; математические молода, для аналитического описания типовых, поверхностей обрабатываемых на токарных станках деталей, дающие возможности представлять подученную погрешность обработки в виде разлохения*на отдельные составляющие.

Укрупненный алгоритм разработанного общего метода приведен в .виде блок-схемы на рис. I.

6

Рис. .I. Структурная схема метода обеспечения точности и параметрической надежности прецизионной токарной • обработки посредстаом построения геометрического образца детали 7

'• Церзым а основным этапом для. подготовки с управления пропоссом испытаний является формирование входных данных, которое включают в себя создание банка исходной информация, статистическую обработку данных, расчет законов распределения варьируемых параметров и, на основе их законов, формирование их сочетаний для проведения полного цикла испытаний (блоки 1,2,3,4). Б качестве исходной информации попользуется, величины припусков, подач, скоростей и сил резания, масс и размеров обрабатываемых деталей, характеристика используемых режущих инструментов а т.п., применяемые технологические операции и переходы на токарный станок данного типа.

Следующий этап включает в себя разработку методики и проведение полного пикла испытаний, в результата которых определят качественные характеристика выходных параметров исследуемого станка (блоки 5,6). Вовромя проведения испытаний реализуются вое возможные ■ сочетания входных факторов и для каждого конкретного их сочетания 'фиксируется, траектории оси шпинделя и суппорт станка.

Обработка результатов (блок 7) испытания проводится с помощью прикладных программ, в основе которых лежат разработанные математические модели формирования ГО обрабатываемых поверхностей, позволяющие, при расчетах значений регламентированных параметров точности, проводить метрологическую опенку не самой обрабатываемой на станке детали, а его ГО и во время этой процедуры проводить поиск и оцен-.. ку наихудших по параметрам точности поперечных и продольных сечений ' профиля. Путем накопления совокупностей расчиташшх выходных параметров точности станка формируется его область состояний . А опо-■ ' кка точности и параметрической надежности станка производится путем сравпошя областей работоспособности и состояний регламентированных 'выходных параметров точности методами математической статистики.

' Для обеспечения точности обработки конкретной детали (блок 8) тоесть нахождения всех ее регламентированных параметров в пределах установленных допусков.указанных на чертеже детали, сначала на ос- ' нова анализа требований, предъявляемых к качеству деталей; опреде--дяются границы области работоспособности, после чего строится идеальный ГО детали с соответствующими допусками в масштаба (блок 9).

Область состояний сравнивают с-областью работоспособности для каждого регламентированного параметра точности, получая вероят-постную опенку ожидаемого качества обработки (блок 10). В соответствии о результатами сравнительной оценки принимается решение ила о правильности выбранных режимов обработка для обеспечения требуемого качоотва обработка, или о необходимости получения.детерминированной эааасзиостэ мавду выходными п входными параметрами станка. Для реа-8

ллзапли второго решения определяются реяимы технологической операции ■ (блок II), с учетом обеспечения обоснованного расчета минимального, основного времени обработки в зависимости от точности заготовка и необходимого квалитета точности обработки и фиксируют соответствугн гае им траектории формообразующих узлов станка (блоки 13,14).

В блоке 12 на основе разработанной модели параметрического от- ' ' каза атайка при тепловых процессах, производится учет их влияния на выходные параметры точности.

С использованием траектории формообразующих узлоз станка строятся (блок 15) реальный ГО обрабатываемой поверхности детали а производится его сразнзнзе <<Зяон 16) с идеальным ГО с полью определения качества обработан а нахождение значений точностных показателей & з пределах соответствующих допусков [Хс] .

По результатам сравнения осуществляются мероприятия, направленные на достижение требуемой точности обработка (блоки 17,18,19),что реализуется путем целенаправленного изменения входных фактороз, наиболее существенно влияющих на формирование выходных параметров точ-постз станза. Такими факторам являются для шпиндельного узла - па- . ракетрн ого спор, для суппортной группы - регулирование клзньеа а • планок, а таете рзташ нагрутанля станка.

"етаддорежуЕзй станок, являясь оснозрым элементом технологической системы рбеспэчззаэт выполнена о йЬшш взаимного перемещения . заготовка я режущэго инструмента и в значительной стопена определяет качественные я количественное показатели точности и параметрической надежности процесса обработки. Исходя пз этого, в качества выходных параметров станка применяются показатели точности осуществления заданных движений его формообразующих узлов носувдх инструмент 53" заготовку, которые, позволяют производить наиболее полную опенку технологических возмогностей станка.

В качестве интегральной выходной характеристики, токарного станка,принят ГО обрабатываемой детали (рас.2), строящийся на основе ' траекторий перемещения спорных точед формообразующих узловг траек-... торга.точки переднего зонпа оса сшвделя (рас.2,а) а точка суппорта, совпадающей с шзрпшнэй резпа (рте.2,б). ГО отрггаэт суммарное влая-- ■. ние параметров трзеггсории рабочих органов станка на точность обрабатываемой деталя-а даэт продставленпе о точностных возможностях ста-' яка без у^эта зязяная на точность обработки других компонентов • тех-шазатагевсюЯ системы.

Различают идеальный (I) а реальный (2) IV обрабатываемой детали (ряс,2,в). Идеальный IX) строится аз условия отсутствия погрсаио-*стей, которые возникают при взаимном перемещении фоюмообпазуютс

9

узДев, т.е. если бы обработка велась, на идеальном с позипии точности станке. Для построения идеального ГО в качестве исходной информации используется чертеж детали п соответствующие технические требования,___________________________

X '

Рис.2. Формирований ГО обрабатываемой поверхности и располояв-• нас узловых точек цилиндрической поверхности для которых известны значения

Реальный ГО обрабатываемой поверхности нормируется за счет сложения взаимосвязанных перемещений выбранных опорных точек рабо-. чих органов станка, несущих инструмент и заготовку, по управляющим координатам X ,у , Z , A , В .С [А , В ,С - соответственно углы поворота вокруг-координатных осей X ,у ,2). При этом реальный ГО поверхности целесообразно рассматривав как непрерывное множество последовательных положений Сследов) двяжудойся производящей линии - траектории точки оси шпинделя, называемой образующей, по другой производящей линии - траектории точки суппортной группы станка, называ-.екой направлявшей.

. Из-за неунпфацзровшшостп методов построения, базовых систем прилегающих линий и поверхностей для опопка отклонения формы профилей селений и поверхностей предлагается разработанная методика определения параметров прилегающей округности и,'на ого основе, при-ле'гаюкего пзлзвдра посредством оптимального перебора всех возмогных округлостей с прзмопеиием элементов комбинаторики.

.• Для нахездошя прияегащэй округлости поперечного сочензя пз-' . 10

ливдричесной поверхности предлагается из совокупностей всех возмоз-ных окружностей, получаемых как сочетания Ср(Г)- количество точек на поперечном профиле координаты которых заданы) путем оптимального перебора выделить прилегающую окружность. Если число Л достаточно мало, то моено использовать метод полного перебора.

На этой основе строится алгоритм генерации сокращенной комбинации. Из теории ошбок следует, что отклонение от пентра искомой окружности будет тем меньше, чем больше база меаду рассматриваемыми точками. Следовательно, в качестве точек (/&<,• ,/Яд. ,/^.,¿'=1, ...,Л) необходимо выбрать наиболее отстающие друг от друга. После этого вычисляются параметры (радиуса и координат пентра).опорного, треугольника:

у -УЯМК-ХЫ+УЛ-У^Мулн-У*« т

V . (Хяи-ХтчЩм -УпиУА~УвЛ/х*е-Х*№Ь -Хы УЛ.) <2> ■Уо4 * 2Ш»„ -Хя»)[Уъ,-У*>;Шъ. -Х'>мХУ**-У/к)1 ' (3)'

и делается переход к соседним точкам в направления по или протпв часовой стрелки, и вычисления повторяются. Переходы таким образом продолжаются до тех пор, пока начальной точкой не окакется точка с номером П , т.е. П)/«/? . Как следует из выаеизлоаенного, во время этой процедуры как бы. происходит вращение опорного треугольника.

; После генерации совокупностей точек опорных треугольников и определения параметров Хос , Уы, /?». производится поиск округнос-,' тп с наименьшим (наибольшм) радиусом для которой выполняется ус- ' ловио нахождения внутри (вне) него всех П точек данного профиля. Для этой пели расчитываются радиус вектора {/=.1,2,...' Л) с цэнтром ( Хв; , Уос) и проверяется неравенство ^

Приведенную методику нахождения прилегающей окружности удобно использовать и при построении прилегающего цилиндра для реальной цилиндрической поверхности исходными данными: текущий радиус в . узловой ( I ,у )-ой точке (£ = 1..../7,/ р)\ Х/,. У/ - но-

ординаты конечных точек этих векторов Чузловых точек ка. цилиндрической поверхности), Л - высота пялпвдра. Все измеренные точки цилиндрической поверхности.проецируются на плоскость/7 • перпендикулярную оси пзлиндра л проходящую в точке пересечения этой оси с торием исследуемой поверхности. Определяя из полученных Пр совокупное ти-точек наиболее (наименее) удаленные от условного центра

II

профиля, получаем множество из /7 точек. Для этого множества, вспо- ' льзуя описанную вне методику, определяются параметры описанной (вписанной) прилегающей окрушюста, на. базе которой производится пост- \ роение правильного пиллндра основанием найденной прилегающей окружности з высотой И , равной высоте & детали, деленной на косинус угла мезду торцем данной цилиндрической поверхности и его осью. Полученный пилиндр будет искомым, т.е. прилегающим для данной исследуемой цилиндрической поверхности.

На основе известной теоремы математики для аналитического представления цилиндрических и торцевых поверхностей (типовых обрабатываемых на токарных станках) предлагается си стена нормированных ортогональных многочленов Чебышева первого ряда. Это обусловливает наилучшую аппроксимацию, минимум математических вычислений, наглядность и удобство при разложении Оункпза опибка (погрешности обработки) 5 (ф ,?)( ^ - угловая координата; ? - координата 'направленная вдоль оси).

Выражение для комплексной погрешюсти цилиндрической поверхности имеет вид (расположение узловых точек пилшщрической поверхности, для которых известны значения функции )показано-"на рас. 2,в): р £

•гао % • I(Ш^ШГ; ^ Ш-' * п , .

а й. т«.1е)Ъ;(ге)со![с ,

Т/~ многочлены Чебыпева дискретного перемешюго [О, С]

Являясь частшая случаями многочленов 1ана, многочлены Чабы- • пева первого рода дискретного переменного гГ имеет вид:.

Т,(г) {г-1/2) се)

Для расчота коэффициентов к -применяется метод наи-игньсих квадратов.'

Замена тригонометрического ряда для описания профилей продоль-

ных сечений поверхностей на ортогональные многочлены Чебышева не изменяют геометрической сутя ее членов. Численные значения коэффициентов уравнения регрессии определяют величины амплитуд форм продольных профилей, а знака коэффициентов - их направление. Геометрическая интерпретация элементов математической [додели аналитического описания реальных цилиндрических поверхностей приведена в таблзпо I.

Для математического описания погрешностей любого продольного или поперечного сечения в уравнение (4) необходимо подставить со-' отватствующее значение угловой (1$. = СОРХ1) или осевой координата (2 = ССП$1 >. При этом координаты С^ (Во ), Сс ( Ч>0 > и начальные? фазовые углы расчитываются по зависимостям (5).

В третьей главе изложены принципы и способы формирования базы исходных данных для статистических испытаний станка; алгоритмы и программное обеспечение для сбора и статистической обработки шзфор-каши об эксплуатационных нагрузках станка; методика формирования сочетаний параметров нагружения на основе их законов распределения полученных методом математической статистики. ■

Наличие базы дашшх (Щ)" о совокупности факторов. действующих на станок и его узлы, позволяет реализовать вероятностный подход к прогнозированию точности обработка на станке а, в частности применить метод обеспечения точности и параметрической надежности пре-пезионной токарной обработка путем прогнозирования ГО детали.

База исходных данных содершт информацию» об энергетических, кинематических и конструкционных факторах, в том число: припуски, подачи, скорости, положения, кассы, продолжительность технологических переходов, характеристики режущего инструмента в производные от них.

БД формируется одним из трех способов:

- непосредственной информацией слузат операционные карты механической обработки совокупности изделий;

- непосредственной информацией являются законы распределения или гистограммы и статистика режимов кагружения, - способ удобен для случаев, когда исследователь априори располагает достаточно полной статистической информацией о каждой аз действующих на станок варьируемых факторов; ...

. - исходной информацией для прогнозирования являются детали -продставзтодз а технологические переходы их обработки на станке, -способ в отличие от первых двух-но может .быть единственны!/ для получек:!« количественной оценки выходных характеристик и пх реакции на воздействие различных факторов.

Таблица I

•ометричесхал интерпретапия элементов математической модели реального ГО цилиндрической поверхности

¿-й

}~2

■1-3

1»0

Км Т1(г,

АогТч¡2)

А02Т2 (2)

АогТг (г)

Аоз Ь (г)

Л<н>0

Ам>0

Аог< О

Аоз>0

Ур»ВИ8ИИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ. ОСИ РБДЛЬНОГО ГО ЦЧЛМНПРИЧЕСКОИ ПОВЕРХНОСТИ

Аю А„Т,(г)С05{?>«) АиТ,(г)С05(^) А„ТгИС0М*.) АиШСОЯМ.) А,3Т5(2)С05

¿-1

Аи>0

Ал1<0

А12>0

АгоС05(2С'Ъ)

АиТ.Ь}С05(гм,)

1*г

АгГГ. (2)005(2^)

Аи>0

Аи<0

А12Т1(г)С05(2С.>е1}

АиТ3(г)С05(2М)

Аи>0

АгКО

Агз>0

Азо 005(3^^)

A31T.fzJCOSiJf.fJ

А31Т,Г2)С05(ЗМ5)

А«Тг(г) С05(зг»ча

АпШСОЗв?.?,)

Ал>0

Ал<0

Аз1>0

Аз»0

(.•т

ПРОФИЛЬ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ В ВИНЕ ОГРАНКИ С ЧИСЛОМ ВЕРШИН ГП

с

о

' V Разработанные структура п система управлеш!я щШВ пригодна для дюбого пз трех описанных способов ее формирования. БД создавалась на

рсрщдт и программирование осуществлялось на вхо-- дном языке системы управления реляционной базы данных

На основе этой системы было разработано совокупность командных файлов (31 файл), с помощью которых можно создать требуемую БД, ."войта" в нее и обращаться к информации, манипулировать ее содержимым при необходимости добавлять, модифицировать и удалять соответствующую информацию, выводить .имеющийся файл данных (в целом или его часть) на дисплей компьютера или же отражать ее в виде твердых копий. Структура базы данных показана на рис.З.

Базовая серия статистических исследований обрабатываемых деталей и режимов их обработки была проведена на Московском станко-

* строительном заводе "Красный пролетарий". При этом исследовалась вся номенклатура деталей типа тел вращения, обрабатываемых на ста-

• нках мод.16К20 и ее модификациях.

Выборка была подвергнута статистической обработке по двум группам показателей. Во-первых, по чертежам были проанализированы требования точности размера, точности взаимного расположения поверхностей,(биение) , точности формы (круглботь) и волнистости. Во-вторых, с технологических карт механической обработки деталей были получены и обработаны данные об эксплуатационных режимах.'

Гистограммы и статистические характеристики исходных дачных полученные с помощью разработанной прикладной программы, приведены в работе. На осново полученных законов распределения исследуемых входных фактороз были сформированы совокупности случайных факторов нагрузения для проведения полного цикла испытаний.

?етвеотач глава посвящена экспериментальному исследованию выходных параметров формообразующих узлов и токарного станка в целом, и, в первую очередь, установлению количественных связей параметров ГО обрабатываемых поверхностей с действующими учитываемыми факторами (силой резания Р , частотой вращения шпинделя П , давлением источника питания Рн , вязкостью смазочной жидкости // ), а также разработке методики'учета (ко.млонсалии погрешностей, обусловленных тепловыми деформациями элементов конструкции станка а' общем балансе погрепностей обработки'. •

Рассмотрены мотодикз и схемы измерения круговых и линейных траекторий перемещения формообразующих узлов - шпинделя и суппорта станка. Эксперименты проводились на универсальном токарно-винторзз-ном станке мод.16Х20В со еппвдолем на гадросгатлчоских опорах,

as o o * • fc o. *r> £ & £ nfflnWnr O c X «> s H s •1

n a S* 2 -< ^ ^ ? — — — — s ¡a ¡2 £ ¡¿ ¡£ ¡e £ t? £ rf o £ O O

3r N Kvfja v V, js "C ¿ ÍC £ 3» ¿ í» « < < < ^«(«c^ T cc I A K j_ « >1

VIV1 VIV2 «■— rsj ^r H á _J J . « u « s « < í; í o«i : Í « a-S g r Sz > isiu? S jj

.. » « 3 -c < Ja y Jn iaf n > a S g «I «X < < «ci

> w t—1 £ ó ^ s

A * * v" J?

C - ^ . >

~ 1 L —! ja M z! ' .• . s Wrr

V > * ' * % v „ » ^ ^ 8 3? 52 JE 5K

<=» fvj o «o _ ' O j ra • » « « • 5 i- „ UJ § £ £ - s ^ . S s sis

- H h v í a £ ^ í k " r * - 3 - i"

™— £ S ' • « « 2 ' § s ~ 5; S ' 5 " 2 1 Mi- N < uj C « f M jtu ' 5É > 1

■JE g 2 í S 111 lililí U 5 luí OI 1 UJ fc $ * ¿ S S - 5 S ^ i I a Í; 5 o!

111111

t sj i J J u 5 a a £ i S

M ni tf " 1 U

."" )

«

касткость а демпфирование которых варьировались путем целенаправленного изменения давлепия Ри источника питания (1,0 + 4,0 Ша) п вязкости /■* сказочной ютдкостя (5,0 t- 40 мЛа'с). Изменение действующих на станок эксплуатационных нагрузок процесса обработки производилось за счет варьирования глубшш резания t (0,15-1,5мм) и подачи S (0,06-0,0 мм/об)', частоты вращения шпинделя. Л (500 --1600 об/мпн), определяющих силы резания F (15 - 1000 Н).

Обработка производилась профи лыг.м резцом с твердосплавными пластина'.® TI5K6 (для материалов сталь 40, сталь 40Х) и ВКЗ.М (для материалов 34 50-2, ЛО 62-1, Бр.ОНС 5-5-5, iUI 32).

Существенное различие в скоростях протекания динамических и тепловых процессов позволило разделить выполняемые эксперименты на две группы. Во-перзых, производилась опенка всех выходных параметров точности станка (параметров ГО изготовляемых деталей), за исключением теплового смещения, и показателей качества изготавливаемых деталей. Во-вторых, определялись тепловые смещения узлов станка и 'связанные с ними отклонения параметров точности детали.

Дани описания разработшпшх под руководством проф. А.В.Пуша испытательного комплекса с катодным .осциллографом г.:од.С8-17 и испытательно-диагностического комплекса на базо микро-ЭВМ "Электро-ника-85" для измерения параметров траекторий движения осп ппнцце-ля непосредственно в процессе обработки; лазерной изморительной системы КР-5528А фирмы "Hev.'kll-PcickQ.?d" (с использованием завода "Красный пролетарий") и нспнтатзльно-нзмерптолыюго комплекса на базе фотоэлектрического автоколлиматора мод.Л'2-1Ц (в работо использованы экспериментальные данные, полученные аспирантом кафедры AT-I ЮТУ им.Баумана Акопдяаняном A.A.), предназначенных для опенки точности линейных траекторий суппортного узла станка при его двинении на холостом ходу и под нагрузкой.

Фрагмент экспериментальных данных с режимами пагрущения .и параметрам точности шпиндельного узла и суппорта приведены з табл.2 я на рис.4.

Были установлены количественные связи иевду факторами дейст— вушпми на формообразующие узлы станка, и их параметрами точности. Напрамор, связь мегду количеством К повторяющихся.неровностей на траектории дважетя оси пнтп.чдедя за его один оборот и частотой ого вращения. При л =200 об/г.ип - К =45,. при Л = 400 об/мпн -//=24, при П =8С0 об/мин - проявляется двенадцатиграшость К =12, при Л ¿1250 об/мпн -лосьмигранность/С^ 8. В табл.2 приведены примеры, показывающие влияние силы розагая на параметры траектории д^лгекнл

'17

с

\ - . •

,осп шпинделя при частоте его вращения П =800 об/мин. Как видно из приведенных в табл.2 данных, увеличение силы резанпя влечет за собой ухудшение параметров точности траектории движения оси шпинделя, а количество периодически повторяющихся неровностей во всех случаях остается постоянным {К =12). Например, увеличение силы резания в 2,7 раза (от Г =700 Н до р =• 1900 Н) вызывает почти пропорциональное увеличение отклонение формы Хт (отклонение от кругло'сти) в 2,6 раза и увеличение неровностей в 2,2 раза (поз.2 и 3).

Исследования тепловых смещений шпинделя показали, что средние выборочные значения выходных параметров на холостом ходу и под нагрузкой практически совпадают, в то время, как средние квадратичес-кие отклонения под нагрузкой существенно увеличиваются. Это обстоятельство дает возможность экспериментально исследовать и прогнозировать средние значения тепловых смещений шпиндельного узла без учета сил резанпя. Показаны возмокности повышения точности обработки за счет коррекции положения резца, с учетом прогнозируемых тепловых 'смещений шпинделя во времени.

Описана разработанная модель параметрического отказа станка нри тепловых процессах, которая использована при прогнозировании параметрической надежности процесса'обработки на станке мод.16К20В.

В пятой главе рассмотрены вопросы обработки экспериментальных данных и формирования областей состояний выходных параметров точности станка с помощью построения ГО обрабатываемых поверхностей, конкретные 'примеры прогнозирования предполагаемой точности обработки по предлагаемому в данной работе методу, общие рекомендации по управлению точности токарных станков путем варьирования режимов нагруже-ния и параметров формообразующих узлов станка.

В результате обработки экспериментальных данных»проводимых с помощью разработанного программного обеспечения, определяются: влияние на выходные параметры точности .станка (параметры ГО обрабатываемой поверхности) его геометрической точности и тепловых деформаций элементов юнструкции; статистические^ характеристики областей состояний параметров точности; выявляются доминирующие факторы, влияющие ш; образование погреиностя обработки и оценивается их доля в суммарном балансе точности; опродояяетоя запас надекности по точно--сти станка для регламентированных параметров и разработаны рекомендация по управлению точностью обработки.

Сравнение численнцх значений отклонений ГО, полученных при воздействии различных факторов с начальным уровнем выходных параметров точности, а такге морду собой, позволяет'оценить как их абсо-

19

лютное значение, так и влияние на выходные параметры точности различных внешних п внутренних факторов. -

3 работе приведены результаты вычислений характеристик областей состояний по точности размера , взаимного положения поверхностей Хх , формы Хз и волнистости Х^ . проведенные с помощью прикладной программы КитДЗ на основе разработанных математических . моделей реальных ГО обрабатываемых деталей (рис.5). Все четыре параметра распределены по нормальному закону, что было подтверждено -при проверке нулевой гипотезы по критерию Пирсона У.1 п критерию^' В работе приведены результаты прогнозирования параметрической надежности станка при динамических процессах. С помощью разработап-ныхмоделей и алгоритмов выявлялась влияние варьируемых параметров станка (для шпинделя на гидростатических опорах: давление источника питания, вязкости смазочной жидкости) и эксплуатацпошшх нагрузок (частоты вращения шпинделя, постояшюй составляющей сил резания и др.) на парамотры точности реального ГО изготовленной детали (рис.6) Сравнение результатов анализа выходных параметров П) изготавливаемой детали и обработанной детали показало, что расхождение меаду ними не -превышало 20$, причем она вызваны влиянием ноучтошшх элементов технологической системы - режущего инструмента, приспособления, заготовки. На рис.6,г в качестве иллюстрации приведены два профиля поперечных сечений: сплошная линия - профиль поперечного сечонля прогнозируемого ГО детали, пунктирным - профиль уже обработанной - • детали. Эксперимент проводился при следующем сочетании факторов: С,/ -2,5 Ша,у!'=8 мПа-с, П. =1600 об/мзн. Деталь .имеет траектории (на 135») и большую.овальность (на 1й%)\

■ На'основе анализа экспериментальных исследований разработаны рекомендации целенаправлешгаго выбора режимов резания и параметров опор шпинделя для до'стяпншя заданных показателей качества и параметрической надежности токарного станка.

Предложенные способы управления выходными параметрами точности станка реализованы, в частности, при изготовлении ответственных деталей станков 16Б20Л -.бронзовых втулок передних п задних гидростатических подшипников. 7 которых в результате предложенных мер отклонение от круглостп обработанных поверхностей гарантированно обеспечивалось до 3 мкм, а запас надежности составил /(, = 1,40.

ОЩИБ ВЫВОДЫ

I. Разработанные общий метод обеспечения заданной точности и

параметрической надежности токарной обработки прецизионных детаюй

и алгоритмы прогнозирования параметрической надежности токарного

станка при воздействии на пего динамических и тепловых процессов 20

Рис.6. Профили попоречннх сечений 10 деталей при варьировании параметров: (а) - давления источника питания Рд; (б) -вязкости"масла; (в)- сшш резания 3?; (г)- сравнение профилей поперечша сечепий ГО и обработанной доталн

Ряо.5. Изомэтрия идеального. (1> и реального ГО изготовляемой детали

позволяют путем прогнозирования ГО обрабатываемых деталей и сравнения областей состояния и работоспособности выходных параметров точности станка, во-первых, еще до процесса обработки оценить возможность обеспечения требуемой точности по каждому из регламентированных параметров при воздействии всей совокупности учитываемых факторов, во-вторых, при неудовлетворяющих результатах проведенной вероятностной оценки ожидаемой точности установить'зависимость мекду действующими фактора»,а и параметрами точности станка, в-третьнх, при необходимости, для обеспечения заданного качества обработанной детали, устанавливать границы эксплуатационных нагрузок и корректировать параметры опор.

2. В качестве выходного параметра точности станка целесообраз-новыбирать ГО обрабатываемых на нем поверхностей, дающие представление об ожидаемой точности изготовления детали и являющиеся комплексным показателем качества станка. ГО позволяет определить долю, приходящуюся на станок от общей погрешности обработки, вызванной функционированием всей технологической системы. Результаты исследований, проведенные на конкретных станках, показали, что доля при прецизионной токарной обработке составляет не менее 80$ для разных параметров точности.

. . 3. При реализации метода обеспечения точнооти и параметрической надежности прецизионной токарной обработки путем прогнозирования ГО обрабатываемой детали для получения достоверных- результатов. . о качестве металлорежущего станка необходимо производить эту оценку по областям состояний и работоспособности его выходных парамет- • . ров' точности с учетом вероятностной природы траектории опорных точек формообразующих узлов.

• л 4. Разработанный комбинированный метод обработки экспериментальных данных, его' алгоритмическое и программное обеспечение дают однозначное решение задачи наховдения прилегающей окружности и прилегающего пиливдра для соответствующих исследуемых'поверхностей. Кроме того," обеспечивается "правильное" пространственное взаиморасположение прилегающих1 (идеальный ГО обрабатываемой детали) поверхностей, что дает возможность получения достоверных результатов путем сравнительной оценки областей состояния и работоспособности оцениваемых параметров точности.

5. Разработаны математические модели с использованием ортогональных многочленов Чебышева первого рода для аналитического представления реальных цилиндрических и торцевых поверхностей, являющихся типовыми поверхностями, обрабатываемыми на токарном станке. Применение многочленов Чебышева первого рода обеспечивает наллуч-

шую точность аппроксимации, сокращение математических вычислений и удоство анализа функции ошибок. С помощью предложенных моделей общая погрешность обработки (функция ошибок двух аргументов ^ и ? ) представляется в виде разложенного ряда, отдельные слагаемые (члены) которого характеризуют погрешность размера, формы, взаимного расположения поверхностей, волнистость и шероховатость, а сама исследуемая поверхность - в виде наложенных друг на друга элементарных, геометрически правильных поверхностей.

6. Разработаны способы формирования и система- управления базой исходных данных для статистических испытаний токарных станков, работающих в различных эксплуатационных условиях на основе первичной информации из операционных карт механической обработки деталей в последовательности технологических переходов. Получены законы распределения и статистические характеристики эксплуатационных факторов, действующих на станок, использованные затем для прогнозиро-

_ вания выходных параметров точности станка методом статистического моделиров'шшя. Установлено, что исследованные для токарных станков распределения подач, глубины резания, сил резания, частот вращения, масс деталей, их длин п диаметров могут быть аппроксимированы либо усеченным нормальным, либо логарифмически-нормальным законом.

7. Разработана модель параметрического отказа станка при тепловых процессах:, который позволяет прогнозировать области состояний выходных параметров точности и Получить их вероятностное описание

в единицу времени, сто дает возможность установить время начапа обработки, при котором обеспечивается требуемая параметрическая ' надежность в процессе обработки изделия при варьирования параметров формообразующих узлов станка п эксплуатационных нагрузок. Полученные результаты испытаний показали высокую достоверность прогноза - его отклонение не превышало 20$.

8. Установлено количественное влияние утченных факторов на отклонения траекторий движения формообразующих узлов (геометрической точности формообразующих узлов станка, упругих отжатий из-за контактных деформаций в стыках элементов технологической системы, температурных деформаций. Для исследуемого станка; в зависимости от режимов обработки, в общем балансе погрешностей упругие отжатпя составляют 40-6С$, величии! тепловых деформаций - 20-60$, геометрическая погрешность - до 20%.

9. Выбранная длярсализацил разработанного метода требуемого качества я надежности токарной обработки, система критериев опенки выходных характеристик токарного станка по параметрам ГО изготавливаемой детали позволяет с вероятностный позиций характеризовать

' -23

работоспособность станка. Подтверздена однозначная связь параметров ГО изготавливаемых деталей с показателями качества обрабатываемых изделий п правомерность использования принятых характеристик для опенки точности и параметрической надежности токарных станков с различными типами опор. Установлено, что доля токарного станка в образовании общей погрешности обработки составляет для отклонения диаметрального размера - 0,81+0,88; для отклонения взаимного расположения поверхностей (эксцентриситет) - 0,83+0,93; для отклонения формы (пйлиндричность, круглость) - 0,82+ 0,94; для волнистости 0,88+0,95.

10. Разработанный общий метод прогнозирования, алгоритмические и программные обеспечения к нему позволяют путем целенаправленного подбора выявить рациональные параметры формообразующих узлов и границы эксплуатационных нагрузок отвечающие установленным требованиям качества п надежности. Предложены общие рекомендации управления точностью токарного станка с различными типами опор для обеспече-ш1я заданной точности обработки.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях: ' .

1. Ilyu A.B., Пименов Н.Ю., Пхакадзе С.Д. Прогнозирование точ-нооти обработки на прецизионных токарных станках. Автоматизированные станочные системы и роботизация производства.- Тула: ТулПЛ, 1990. - с.87-92. '

2. Душ A.B., Пименов Н.Ю., Пхакадзе С.Д. Прогнозирование геометрического образа изделия для обеспечения точности обработки на токарных станках. Повышение качества и надежности машиностроительной продукции. - Луцк; 1989. - с. 14-15.

уЗ. Цуш A.B., Иванников С.11., Пхакадзе С.Д., Телегин L.A. Базы дашшх для статистических испытаний станков. Надежность'технологического оборудования, качество поверхности, трение и износ.- Хабаровск: ВДWTC, 1991. - с.49-51. .

4. Пуш A.B., Иванников С.Н., Пхакадзе С.Д.,'Телегин Ю.А. Базы исходных данных для проектирования и испытания станков. - Станки .. и инструмент, 1992, Ш1, с.3-8.

5. Пхакадзе С.Д. Математическая модель для создания геометрического образа деталей типа тел вращения. Динамика станочных систем гибких автоматизированных производств. - Нижний Новгород. Нижнегор.гос.ун-т, 1992. - с.73.

6. Пхакадзе С.Д., Пименов Н.Ю. Обеспечение точности обработки на токарных станках с ЧЛУ по результатам диагностирования формообразующих узлов. Повышение эффэк-ти использования автоматизированных

24

комплексов ¡я прэдпр.Дальнего Востока.-Коме.-на-Амуре: В1ГГ0 маш-ия, 1Э8Э. - с.21-23.

7. Лхайадзе С.Д. 'Прогнозирование точности и параметрической надежности прецизионной токарной обработки. Довыш-ие надежности автома тич-зрких станочных систем,-Хабаровск: ЦШШ'О, 1990. - с.24-28.

8. Пхакадзе С.Д. Математическая модели для создания' геометрического образа щипздрячоских и торцевых поверхностей деталей. Пройлеки создания и экспл-цга техн-го оборудования и гибких.произв.систем.- Тоз. докл. Poc.H-n.Koii?. - Хабаровск:' ЦНДГГС, 1292. - с. 4^—13.

Пхакадзе Северная Дхумберовач

"Обеспечение точности в янреметрзчебкой ¡тдвжнсстп токарной обработка гтрвщзионыах дэталеЗ путем щюгпоэяровакия гоомет-ряч'есхого обрйза обрабатывавши поверхностей" Авторефзрат диссертадгш на ссгскангэ уезаой стекся кацяядма технических нз^гк. • •

Заказ 111-93 Тира^ 100 , 05ьеа 1,1 'п.л. Еуката типографская Еотапринт ИГ АКТ. 1, Б.Сеыепозская, 38.