автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности использования многоцелевых станков при изготовлении корпусных деталей в ГПС путем автоматической оценки состояния режущего инструмента

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

1.1. Эффективность использования многоцелевых станков при обработке корпусных деталей в ГПС.

1.2. Обзор и анализ существующих средств и методов контроля режущего инструмента на МЦС в ГПС.

1.3. Цель и задачи диссертационной работы.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ПЕРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ ОБРАБОТКИ РАЗЛИЧНЫХ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ НА МЦС В ГПС.

2.1. Влияние состояния режущего инструмента на структуру отказов МЦС в ГПС.

2.2. Случайный характер износа и стойкости режущего инструмента.

2.3. Особенности износа режущего инструмента при работе с переменными за период стойкости режимами резания.

2.4. Необходимость применения комплексного контроля состояния режущего инструмента в условиях переменного резания. Вектор технологической работоспособности.

2.5. Выводы.

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ

РАБОТОСПОСОБНОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

ПРИ ОБРАБОТКЕ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ НА МЦС В ГПС

ПО КОМПЛЕКСНОМУ КРИТЕРИЮ.

3.1. Оценка состояния режущего инструмента по технологическому критерию при обработке корпусных деталей на многоцелевых станках в ГПС. ^ *

3.2. Методики оценки состояния режущего инструмента по временному критерию в условиях нестационарного резания на МЦС в ГПС.

3.3. Автоматический учет времени работы режущего инструмента на многоцелевых станках в условиях переменного резания.

3.4. Оценка состояния режущего инструмента путем учета времени его работы с помощью ЭВМ.

3.5. Использование информационных характеристик приводов МЦС для оценки режущей способности инструмента.

3.6. Определение предельно допустимых значений силовых параметров приводов МЦС.

3.7. Выводы.

ГЛАВА 4. АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ СТОЙКОСТЬЮ

РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА НА МЦС В ГПС И

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНЫХ МОМЕНТОВ ЕГО

ЗАМЕНЫ.

4.1. Обоснование необходимости применения адаптивного управления стойкостью режущего инструмента при обработке корпусных деталей на МЦС в ГПС.

4.2. Адаптивное управление временной компонентой вектора технологической работоспособности режущего инструмента при обработке на МЦС в ГПС.

4.3. Адаптивное управление силовой компонентой вектора технологической работоспособности режущего инструмента при обработке на МЦС в ГПС.

4.4. Информационные связи, используемые при оценке состояния режущего инструмента и определении момента его замены на МЦС в ГПС.

4.5. Выводы.

ГЛАВА 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЦС В ГПС С ПРИМЕНЕНИЕМ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ РЕЖУЩЕГО

ИНСТРУМЕНТА.

Будущее развитие машиностроительного производства направлено на его дальнейшую автоматизацию. Автоматизация машиностроения в условиях серийного и мелкосерийного производства корпусных деталей предполагает создание гибких производственных систем (ГПС), работающих в условиях безлюдной технологии. ГПС компонуются на базе автоматизированных станочных модулей, основой которых служат многоцелевые станки (МЦС).

Современные МЦС - это сложное и соответственно очень дорогое оборудование. Поэтому необходимо максимально эффективно использовать МЦС в ГПС. Максимальная эффективность функционирования МЦС, а соответственно и ГПС в целом, достигается за счет сведения к минимуму времени простоев МЦС, повышения режимов обработки на МЦС и обеспечения их работы в режиме безлюдной технологии.

Высокая доля отказов МЦС в ГПС вследствие выхода из строя режущего инструмента не позволяет эффективно использовать многоцелевые станки и ставит задачу контроля и определения достоверных моментов замены режущего инструмента в ранг наиболее актуальных задач автоматизированного производства.

Поэтому в условиях безлюдной, многономенклатурной обработки корпусных деталей на МЦС в ГПС необходим надежный контроль состояния применяемого режущего инструмента и определение достоверных моментов его замены. Это позволит минимизировать время простоев МЦС, вести обработку с максимально возможными режимами резания и реализовать безлюдную технологию.

Анализ литературных и производственных данных, а также рекламных и выставочных материалов показывает, что исследованиями и разработкой систем контроля за состоянием режущего инструмента на МЦС интенсивно занимаются во всех промышленно развитых странах. Работы в этой области ведутся крупными и хорошо известными фирмами, среди которых можно отметить Sandvik Coromant Engineering (Швеция), Promess (Германия), Mitsui Seiki Kogyo (Япония), Marposs (Италия), Cincinnati Milacron (США), Renishow Electrical (Германия) и другие.

В нашей стране вопросами исследования и создания систем контроля состояния режущего инструмента в автоматизированном производстве занимаются ведущие в данной области организации, такие как МГТУ "СТАНКИН", АО "ЭНИМС", "ВНИИинструмент", "НИИМАИГ и другие.

Следует подчеркнуть, что развитие исследований в рассматриваемой области было бы не возможно без разработки научно-практических основ, в создание которых большой вклад внесли такие ученые, как С.М. Палей, Г.Л. Хает, С.В. Васильев, В.А. Синопальников, В.А. Тимирязев и другие.

Диссертационная работа выполнена на кафедре "Технология машиностроения" Московского государственного технологического университета "СТАНКИН".

Цель работы. Повышение эффективности функционирования МЦС в ГПС при обработке корпусных деталей путем разработки и использования комплексной системы автоматической оценки состояния режущего инструмента и определения моментов его целесообразной замены.

Методы исследования. Работа выполнена на основе фундаментальных положений технологии машиностроения, теории резания металлов и теории адаптивного управления технологическими процессами.

Научная новизна работы заключается в выявлении связей, определяющих технологическую работоспособность режущего инструмента и момент его замены при многономенклатурном производстве корпусных деталей на МЦС. Она включает:

- установление связей между состоянием режущего инструмента и структурой отказов технологической системы;

- выявление технологических особенностей эксплуатации режущего инструмента при обработке корпусных деталей на МЦС;

- разработка методики и алгоритмов автоматической оценки состояния режущего инструмента по комплексу критериев, включая технологический, временной и силовой.

- постановка и решение задачи определения целесообразных моментов замены режущего инструмента путем адаптивного управления стойкостью инструмента.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- предложена методика автоматической оценки состояния режущего инструмента, основанная на получении необходимой технологической информации о фактическом времени работы каждого инструмента из управляющей программы МЦС;

- разработана принципиальная схема и предложен алгоритм комплексной системы автоматической оценки технологической работоспособности режущего инструмента по трем критериям с использованием ЭВМ;

- разработана принципиальная схема системы адаптивного управления стойкостью применяемого режущего инструмента на МЦС;

- результаты работы являются основой для создания комплексных систем автоматической оценки состояния режущего инструмента и определения целесообразных моментов его земены, что позволит значительно повысить эффективность использования МЦС в ГПС.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и были одобрены на Всероссийском открытом конкурсе научных работ молодых ученых "Технология и качество авиационной техники", Москва, МАИ, 1999г и на заседаниях кафедры "Технология машиностроения" Московского государственного технологического университета "СТАНКИН".

Публикации. По материалам диссертации опубликованы две печатные работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 65 наименований и 2 приложений. Общий объем диссертации 193 страницы, из них 126 страниц основного текста и 49 иллюстраций на 42 страницах.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В результате проведенных исследований и обобщений дано решение актуальной научной задачи - повышение эффективности использования МЦС в ГПС при обработке корпусных деталей путем использования комплексной системы автоматической оценки технологической работоспособности режущего инструмента и определения целесообразных моментов его замены.

1. В результате исследований установлено, что внедрение безлюдной технологии и эффективное использование МЦС и ГПС в целом не возможно без оснащения МЦС надежными системами автоматического контроля технологической работоспособности режущего инструмента и определения моментов его замены.

2. Предложено оценивать технологическую работоспособность режущего инструмента при обработке корпусных деталей на МЦС в ГПС по комплексному критерию, включая технологический, временной и силовой, так как каждый из критериев в отдельности не дает достоверной информации. Таким образом, принятие решения о работоспособности режущего инструмента и моменте его замены производится на основе оценки информации по всем трем критериям с применением управляющей ЭВМ.

3. Для условий мелкосерийной, многономенклатурной обработки корпусных деталей на МЦС в ГПС проведены исследования состава и технологической работоспособности применяемого режущего инструмента на основе реальных производственных данных. Установлено, что динамика отбора стойкости режущего инструмента, работающего с переменными за период стойкости условиями обработки, существенно отличается от его работы при постоянных условиях, что влечет колебания стойкости в 5-8 раз.

4. Основными причинами широкого разброса стойкости режущего инструмента при работе в переменных условиях резания являются: случайный характер износа и стойкости инструмента, влияние технологической наследственности и зависимость значений допустимого износа инструмента от режимов резания.

5. Установлено, что оценка состояния режущего инструмента по технологическому критерию может быть осуществлена непосредственно на станке, путем использования систем автоматического контроля параметров точности деталей и шероховатости обработанных поверхностей, с применением измерительных головок, устройств контроля целостности и размерного износа инструмента, а также лазерных устройств для контроля шероховатости.

6. Разработанная для ЭВМ программа оценки состояния инструмента по временному критерию в условиях переменного резания позволяет получать данные о фактическом времени работы каждого инструмента на МЦС в ГПС. Путем анализа управляющей программы станка с помощью ЭВМ выявляется состав применяемого инструмента, режимы обработки и продолжительность работы каждого инструмента. В результате представляется возможным смоделировать процесс оценки состояния инструмента вне станка, определить предполагаемые моменты замены инструмента и спланировать расход необходимого инструмента на смену, сутки, партию или любой другой период.

7. Для оценки состояния режущего инструмента по силовому критерию представляется целесообразным использовать информационные характеристики приводов МЦС, которые отражают приращение нагрузки, обусловленное затуплением режущего инструмента. Экспериментально установлены значения коэффициентов приращения нагрузки соответствующие предельно допустимым значениям износа различного режущего инструмента, применяемого на МЦС.

8. Определены целесообразные моменты замены режущего инструмента при обработке корпусных деталей на МЦС в ГПС -момент окончания обработки одной поверхности, группы поверхностей, детали в целом или партии деталей, и разработаны алгоритмы выхода на замену инструмента в указанные моменты времени.

9. Разработанная система адаптивного управления стойкостью режущего инструмента позволяет пролонгировать значение стойкости (технологической работоспособности) до расчетных, целесообразных моментов его замены. Управление временной составляющей вектора технологической работоспособности осуществляется регулированием частоты вращения шпинделя, а управление силовой составляющей -регулированием величины подачи.

10. Разработанная система обеспечивает комплексную автоматическую оценку технологической работоспособности режущего инструмента при обработке корпусных деталей, что позволяет реализовать безлюдную технологию и значительно повысить эффективность использования МЦС и ГПС в целом. Годовой экономический эффект при этом составляет 2.555.990 рублей.

1. Основы технологии машиностроения. Балакшин Б.С. М., "Машиностроение" 1969, 358 стр.

2. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т./Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. 4-е изд., перераб.и доп. - М.: Машиностроение, 1985. 496 е., ил.

3. Соломенцев Ю.М., Сосонкин В.Л. Управление гибкими производственными системами. М.: Машиностроение, 1988. -352 е.: ил.

4. Проектирование технологии: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов/И.М. Баранчукова, А.А. Гусев, Ю.Б. Крамаренко и др.; Под общ. Ред. Ю.М. Соломенцева. М.: Машиностроения, 1990. - 416 е.: ил.

5. Точность производства в машиностроении приборостроении. Под ред. А.Н. Гаврилова. М., "Машиностроение", 1973. 567с.

6. Тимирязев В.А. Повышение эффективности гибких технологических систем путем комплексного управления размерными связями: Дисс. .докт. тех. наук. -М., 1976. 286с.

7. How to justify installing FMS/ "Production Engineer", 61, № 4, p. 30-32.

8. Палей C.M. Некоторые особенности эксплуатации токарных станков с ЧПУ на участке АСВ- 20. В сб.: Автоматизированные участки из станков с ЧПУ, управляемые ЭВМ, М., ЭНИМС, 1981, с. 27-31.

9. Kinnander A. Machining reliability in NC Turning.- "Annals of the CIRP", 1979, 28, №1, p. 263-265.

10. Ю.Синопальников B.A. Надежность режущего инструмента: Учеб. пособие. М: Мосстанкин, 1990. - 92 с.

11. П.Карпусь В.Е. Сравнительный анализ режимов резания на автоматических линиях. "Резание металлов", вып. 3. Республиканский межведомственный научно-технический сборник. Харьков "Высшая школа", 1983. с. 63-64.

12. Поленина М.Ф., Годинцев В.И. Некоторые вопросы методики типовых стойкостных испытаний быстрорежущих сталей. Сборник трудов научно-технической конференции, ч.З, Технология машиностроения. Издательство Томского университета, 1978. 120с.

13. Брахман Л.А., Кацев И.Г. и др. Коэффициенты вариации стойкости инструмента. В сб. статей "Надежность режущего инструмента", вып.2. "Высшая школа" Киев-Донецк, 1975. с. 1721.

14. Богуславский Б.Л. Автоматы и комплексная автоматизация. М. Машиностроение, 1964. 536с.

15. Баталин А.С. и др. Влияние степени автоматизации оборудования на уровень режимов резания. "Станки и инструмент" №1, 1983, с. 20-21.

16. Палей С.М., Васильев С.В. Контроль состояния режущего инструмента на станках с ЧПУ. Обзор.-М.: НИИмаш, 1983. — 52 е., ил. 26.

17. Otto F., Kluft W. Entwickling von Sensoren zur Spanformorkennung fur das Drehen/ "Industrie Anzeiger", 1977, 99jg,246,№51.

18. Ивата К. Измерение износа режущего инструмента в процессе резания. "Нихон кикай гаккай си", 1979, 82,№ 731, с. 1120 -1129.

19. Васильев С.В. Использование электрических явлений при резании для коррекции режима обработки. М., ЭНИМС, 1981, 191 с.

20. Бондарь А.Е. и др. Контроль состояния режущих инструментов на металлорежущих станках. М., НИИмаш, 1971, 103с.

21. Симпозиум по новейшим станкам с ЧПУ ЭВМ (CNC), сервосистемам и роботам. - Сб. статей "Фудцизу Фанук", 1981, 191с.

22. Система управления процессом механической обработки резанием. Проспект фирмы Sandvik Coromant Engineering, 6с.

23. Рекламный прспект фирмы " PROMETEC", 18с.

24. Синопальников В.А., Еременко И.В. Диагностика процесса резания и инструмента: Учеб. пособие. М.: Мосстанкин. 1991, - 130с.

25. Бобров В.Ф. Основы резания металлов. М., "Машиностроение", 1975, 334с.

26. Синопальников В.А. Зависимости процесса резания как случайные функции // станки и инструмент. 1968. №7. С. 38-39.

27. Хает Г.Л. Качество и надежность режущего инструмента // Надежность режущего инструмента: Сб. ст. Киев - Донецк: Вища школа, 1975. Вып. 3. С. 3-11.

28. Старков В.К. Технологические методы повышения надежности обработки на станках с ЧПУ. М.: Машиностроение, 1984. -120с.

29. Башков В.М. , Кацев П.Г. Испытания режущего инструмента на стойкость. -М.: Машиностроение, 1985. 136с.

30. Синопальников В.А., Гурин В.Д. Температуурное поле в режущем клине инструмента при прерывистой работе // Вестник машиностроения. 1980. №4. С. 44-47.

31. Теория проектирования инструмента и его инфрмационное обеспечение: маркетинг, квалиметрия, надежность и оптимизация / Г.Л. Хает, B.C. Гузенко, Л.Г. Хает и др.: Под общ. Ред. Г.Л. .Хаета. Краматорск. ДГМА, 1994 - 370с.

32. Палей С.М., Решетов Д.Н. Автоматизированный контроль состояния режущего инструмента в токарных гибких производственных модулях // станки и инструмент, 1987. №11. С. 15-18.

33. Координатно-измерительные машины и их применение. / А.А. Гапшис, А.Ю. Каспарайтис, М.Б. Модестов и др. М.: Машиностроение, 1988.-328с.

34. Тимирязев В. А. Автоматическое определение состояния режущего инструмента и момента его замены в гибком автоматизированном производстве. Вестник машиностроения, 1985, №6, с.38-40.

35. Негельсон М.С. Состояние и перспективы развития систем автоматического обеспечения точности обработки на станках с ЧПУ в гибких автоматизированных производствах // измерительная техника, 1984. №8. .сю 24-25.

36. Хает Г.Л., Коваленко Г.А., Черномаз В.Н. Исследование стойкости инструмента при точении на тяжелых станках в широком диапазоне режимов резания //Надежность режущего инструмента, вып.5. -Краматорск: КИИ, 1994. С. 162-173.

37. Сосонкин В.Л. Программное управление технологическим оборудованием: Учебник для вузов по специальности

38. Автоматизация технологических процессов и производств". -М.: Машиностроение, 1991. 512 е.: ил.

39. Контроль состояния инструмента и адаптивное управление режимами резания в ГПМ: Методические рекомендации / Сост. Городецкий М.С., Осипова С.С М.: ЭНИМС, 1988. - 60с.

40. Городецкий М.С. Контроль и диагностика в гибких производственных модулях и системах./ТИтоги науки и техники. ВИНИТИ. Сер. Резание металлов. Станки и инструменты. -1989, №8.-С. 1-84.

41. Адаптивное управление технологическими процессами /Ю.М. Соломенцев, .В.Г. Митрофанов, С.П. Протопопов и др. М.: Машиностроение, 1980. - 536 е., ил.

42. Тимирязев В.А. Применение адаптивных систем на станках с программным управлением. М., НИИмаш, 1974. 123с.

43. Вульф A.M. Резание металлов М. Л., Машгиз, 1963. 428 стр. с илл.

44. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов: Учебник для машиностр. и приборостр. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1985.-304 е., ил.

45. Старков В.К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве. М.: Машиностроение, 1989.

46. Качество машин: Справочник. В 2 т. Е.1/ А.Г. Суслов, Э.Д. Браун, Н.А. Виткевич и др. М.: Машиностроение, 1995. - 256 с.:ил.

47. Экономика и организация промышленного производства./Под ред. А.И. Демичева. М., Экономика, 1972. 356 с.

48. Новожилов В.И. Вопросы определения оптимальных режимов резания. ЛДНТИ, 1967. 52 с.

49. Тимирязев В.А. Повышение точности и производительности токарной обработки путем комплексного управления размерами динамической и статической настройки. В. кн.: Самоподнастраивающиеся станки. М., Машиностроение, 1970, с. 339-363.

50. Тимирязев В.А., Митрофанов В.Г. Разработка и использование автоматических систем для управления точностью и производительностью обработки на специальных металлорежущих станках. М., НИИмаш, 1971. 119с.

51. Оптимизация режимов обработки на металлорежущих станках/А.И. Гильман, JI.A. Брахман, Д.Н. Батищев и Л.К. Митяев. М., Наука, 1975. 162с.

52. Соломенцев Ю.М. Автоматизация размерной настройки и перенастройки станков. Механизация и автоматизация производства, 1971, №4, с. 14-16.

53. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности. М.: Наука, 1965. - 524с.

54. Расчеты экономической эффективности новой техники: Справочник/под общ.ред. К.П. Великанова. -Л.: Машиностроение, 1990.-338с.

55. Великанов К.М., Власов В.Ф. Расчеты экономической эффективности новой техники. М.: Машиностроение, 1989. 445с.

56. Общесоюзные нормы технологического проектирования механообрабатывающих и сборочных цехов предприятий машиностроения, приборостроения и металлообработки, Гипростанок, М.: НИИмаш, 1984. 112 с.

57. Обработка корпусных деталей крупными сериями на многоинструментальных станках с ЧПУ с применением комбинированного инструмента, ЭНИМС, М.: 1982. 24 с.

58. Определение экономической эффективности металлорежущих станков с ЧПУ. НПО ЭНИМС, НПО Оргстанкинпром, М.: 1981.

59. Станки с ЧПУ. Общетехнические требования. Нормы надежности. М.: ЭНИМС, 1978.

60. Пуш В.Э., Пигерт Р., Сосонкин B.JI. Автоматические станочные системы / Под. Ред. В.Э. Пуша. М.: Машиностроение, 1982. 318 с.

61. Тимирязев В.А. Управление точностью гибких технологических систем. М.: НИИМАШ, 1983. 65с.

62. Технология машиностроения (специальная часть): Учебник для машиностроительных специальностей вузов/А.А. Гусев, Е.Р. Ковальчук, И.М. .колесов и др. М.: Машиностроение, 1985.480 с.

63. Якушев А.И. Взаимозаменяемость, стандартизация и технологические измерения. М.: Машиностроение, 1981. 278с.

64. Музыкант Я.А. Металлорежущий инструмент: Номенклатурный каталог. В 4-х ч. Ч. 1.-4. М.: Машиностроение, 1995. ил.

65. Маслов А.Р. Приспособления для металлорежущих станков: Справочник. -М.: Машиностроение, 1996, 240 е.: ил.