автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности ранних стадий проектирования металлорежущих станков на основе структурного синтеза формообразующих систем

о. д. а

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Московский государственный технологический университет "СТАНКИН"

/ ^

На правах рукописи

-С>ЗТ4Д » * * ¿ПС России А ., , , // Ивахненцо^¡тес^ндр^^ьщдьевич

: « 'ОКТОРА:

"¿¿¿Х^с'г/тхС^ * ^ УДК 621.9.06.001.63

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАННИХ СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА ФОРМООБРАЗУЮЩИХ СИСТЕМ

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

МОСКВА 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ........................................................................ 4

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И АНАЛИЗ МЕТОДОВ ЕЕ РЕШЕНИЯ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ РАБОТЫ................ 8

1.1. Технико-экономические показатели и этапы проектирования металлорежущих систем ................................................... 8

1.2. Автоматизация концептуального проектирования металлорежущих систем................................................... 21

1.3. Основные положения теории формообразования поверхностей резанием........................................................................ 28

1.4. Описание, анализ и синтез компоновок.................................. 38

1.5. Методы описания и проектирования кривых и поверхностей, используемых в системах CAD/CAM.................................... 45

1.6. Оптимизация при проектировании металлорежущих систем....... 53

1.7. Выводы. Постановка цели и задач исследования...................... 59

2. МЕТОД СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СИСТЕМ..66

2.1. Математическая модель процесса формообразования................ 66

2.2. Разложение уравнения поверхности на элементарные движения формообразования............................................................ 81

2.3. Разработка структур металлорежущих систем для обработки поверхности и множества поверхностей................................ 86

2.4. Анализ возможностей выпуска новых деталей на существующем оборудовании............................................ 106

2.5. Разработка схем приближенного формообразования поверхностей.................................................................. 108

2.6. Выводы........................................................................ 111

3. МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КРИВЫХ И ПОВЕРХНОСТЕЙ

И МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СИСТЕМ ДЛЯ ИХ ОБРАБОТКИ............... 114

3.1. Математические основы проектирования поверхностей и

кривых в формообразующем виде...................................... 114

3.2. Разработка типовых математических моделей поверхностей и

кривых; исследование их характеристик............................... 128

3.3. Проектирование и формообразование цилиндрических деталей

с криволинейными поперечными сечениями.......................... 137

3.4. Выводы........................................................................ 153

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ СТРУКТУР МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СИСТЕМ НА РАННИХ СТАДИЯХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ........ 155

4.1. Критерии выбора рациональных структур металлорежущих систем.......................................................................... 155

4.2. Взаимосвязи критериев выбора с основными технико-экономическими показателями........................................... 173

4.3. Многокритериальная оптимизация структур металлорежущих систем.......................................................................... 177

4.4.Вывод ы......................................................................... 185

5. КОНЦЕПТУАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СИСТЕМ ДЛЯ ОБРАБОТКИ КОНВОЛЮТНЫХ, АРХИМЕДОВЫХ

И ЭВОЛЬВЕНТНЫХ ЧЕРВЯКОВ................................................ 188

5.1. Разработка структур металлорежущих систем для обработки червяков...................................................................... 188

5.2. Выбор рациональных вариантов структур на основе многокритериальной оптимизации..................................... 195

5.3. Выводы........................................................................ 203

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ................... ............................................ 204

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................. 207

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................... 225

ВВЕДЕНИЕ

Обеспечение конкурентоспособности продукции современного машиностроения требует создания высокоэффективного технологического оборудования при минимальных сроках его проектирования, что невозможно без автоматизации процесса проектирования. Эффективность автоматизированного проектирования существенно повышается в том случае, если обеспечивается его непрерывность, начиная с самых ранних стадий. Именно на этих стадиях, включающих предпроектные исследования, разработку технического задания и технического предложения, формируется до 80-85% затрат на изготовление и эксплуатацию технологического оборудования.

При разработке концепции формируется структура металлорежущей системы — определяются составляющие ее элементы (станок, приспособления для детали и инструмента, режущий инструмент) и связи между ними (реализуемый процесс формообразования и компоновка), то есть выполняется структурный синтез. Данная задача традиционно считается трудно формализуемой, поэтому автоматизация концептуального проектирования основана, как правило, на организации информационного обеспечения и применении методов поискового конструирования. Это существенно ограничивает возможности проектировщика в создании новых конструкций на основе многовариантного синтеза и выбора ограниченного числа вариантов структур металлорежущих систем, имеющих высокие технико-экономические показатели для дальнейшей проработки. Используемые при сравнении вариантов критерии качества относятся, в основном, к конструкционным компоновкам станков, и их применение требует достаточно детальной проработки структур металлорежущих систем и приводит к увеличению сроков выполнения проектных работ.

Появление новых видов машин, транспортных средств и т.п. привело к широкому использованию сложных геометрических форм, которые довольно часто определяют их основные характеристики. Необходимость в обработке сложных поверхностей требует создания нового технологического

оборудования и развития методов его проектирования, обеспечивающих высокие показатели производительности и точности обработки.

Цель работы - повышение эффективности ранних стадий проектирования металлорежущих станков на основе структурного синтеза формообразующих систем.

Достижение поставленной цели возможно только на основе использования системного подхода. Структура металлорежущей системы (МС) может быть представлена в виде подсистем и связей между ними с различной степенью детализации. При разработке концепции МС ставится задача на основе исходных данных (количестве и типах обрабатываемых поверхностей) выполнить декомпозицию структуры МС на первом уровне. Основным процессом, реализуемым МС, является процесс формообразования. Поэтому, на первом уровне декомпозиции структура МС будет состоять из основных элементов (подсистем) - станка, приспособлений для детали и инструмента, режущего инструмента, т.е. формообразующей системы, и связей между ними, обеспечивающими реализацию процесса формообразования! На втором уровне декомпозиции, соответствующем следующим стадиям проектирования, данные подсистемы, в свою очередь, делятся на подсистемы. Например, в металлорежущем станке выделяют: главный привод, шпиндельный узел, несущую систему, привод подачи, направляющие.

Для определения многовариантного состава структур МС на первом уровне декомпозиции предложен метод структурного синтеза, основанный на применении ряда преобразований уравнений обрабатываемых поверхностей. На основе положения о взаимосвязи конструирования сложных поверхностей и МС, предназначенных для обработки этих поверхностей, предложен метод их совместного проектирования на основе "формообразующих" сплайнов. Данные сплайны соответствуют некоторым общим структурам МС и имеют достаточную свободу в выборе параметров для удовлетворения требований к характеристикам сложных поверхностей.

Технико-экономические показатели МС реализуются при взаимодействии рассмотренных выше подсистем и существенно зависят от многих факторов,

определяемых их характеристиками. Для выбора некоторого ограниченного числа вариантов структур МС (концепций) для дальнейшей конструкторской проработки необходимо определение их технико-экономических показателей. Однако, в силу ограниченного объема информации о конструируемых МС, характерного для рассматриваемой стадии проектирования, непосредственное определение этих показателей невозможно. Поэтому в работе предложен ряд критериев, тесно связанных и в достаточной мере определяющих основные технико-экономические показатели МС, которые можно вычислить на основе полученной при структурном синтезе информации. С помощью введенных критериев выбор рациональных вариантов структур МС для дальнейшей проработки ведется на основе разработанной методики многокритериальной оптимизации. Ее отличительной особенностью является рассмотрение всех вариантов структур МС, при этом оцениваемые варианты объединяются в группы, соответствующие разным способам обработки (точение, фрезерование, шлифование и т.д.) и испытания проводятся для всех вариантов групповых структур МС (для одной, двух и т.д. до всех) обрабатываемых поверхностей, что дает возможность исключить поверхности, значительно ухудшающие критерии. Окончательный выбор вариантов для дальнейшей проработки остается за конструктором.

С целью проверки основных теоретических положений и разработанного программно-алгоритмического обеспечения было выполнено концептуальное проектирование МС для обработки конволютных, архимедовых и эвольвентных червяков. Выбраны рациональные варианты структуры МС для различных способов обработки и определены требования к точности, которые необходимо обеспечить на последующих стадиях проектирования.

Научная новизна диссертационной работы заключается в:

- синтезе структур металлорежущих станков, на основе определения функции формообразования из уравнений поверхностей обрабатываемых деталей и использовании ряда преобразований этой функции, который позволил сократить сроки выполнения проектных работ;

- критериях выбора рациональных проектных решений металлорежущих станков для последующих стадий проектирования - общем количестве узлов

формообразующих систем; количестве настраиваемых размерных параметров; количестве движений узлов при обработке сложных поверхностей; общем количестве погрешностей, количестве геометрических погрешностей и составляющих деформаций узлов, и их некомпенсируемых составляющих, количестве составляющих перекрестных деформаций в балансе точности; которые позволили сравнивать варианты формообразующих систем на ранних стадиях проектирования;

математических моделях сложных поверхностей и функции формообразования металлорежущих станков, особенностью которых являются установленные соотношения между параметрами поверхностей и движений формообразования.

Практическая полезность работы состоит в:

- сокращении сроков и повышении качества проектных работ при разработке концепций металлорежущих станков за счет автоматизированного синтеза структур формообразующих систем и анализа характеристик большого количества вариантов;

программно-алгоритмическом обеспечении структурного синтеза формообразующих систем металлорежущих станков;

- методике многокритериальной оптимизации для выбора рациональных формообразующих систем металлорежущих станков, учитывающей особенности ранних стадий проектирования, позволяющей оценивать качество проектных решений в условиях наличия неполной информации о проектируемом оборудовании;

выборе рациональных вариантов формообразующих систем металлорежущих станков для обработки конволютных, эвольвентных и архимедовых червяков, обеспечивающих высокую точность и производительность обработки.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И АНАЛИЗ МЕТОДОВ ЕЕ РЕШЕНИЯ.

ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ РАБОТЫ 1.1. Технико-экономические показатели и этапы проектирования металлорежущих систем

Для сравнительной оценки технического уровня станков и металлорежущих систем используют следующий набор показателей, характеризующих их качество [100, 101, 124, 135]:

• эффективность;

• производительность;

• надежность;

• гибкость;

• точность.

Эффективность является комплексным показателем, наиболее полно отражающим главное назначение металлорежущих систем (МС) - повышение производительности труда и снижение затрат при обработке деталей. Эффективность определяется по формуле

А=И/Ес, (1.1)

где N - годовой выпуск деталей (шт.); 2с - сумма годовых затрат на их изготовление.

Производительность станка или металлорежущей системы характеризует способность обеспечивать обработку определенного числа деталей в единицу времени.

Штучная производительность (шт./год) выражается числом деталей, изготовленных в единицу времени при непрерывной безотказной работе:

О = То/Т, (1.2)

где Т0 - годовой фонд времени; Т - полное время всего цикла изготовления детали.

Кроме штучной производительности, для сравнения различного оборудования и методов обработки используют и другие показатели.

Производительность формообразования определяется площадью поверхности, обработанной в единицу времени. Производительность резания (съема стружки) определяется объемом материала, удаленного с заготовки в единицу времени.

Надежность МС является свойством, характеризующим способность обеспечивать бесперебойный выпуск годной продукции в заданном количестве в течение определенного срока службы и в условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки. Наиболее важным показателем современных точных металлорежущих систем является технологическая надежность [126, 128, 132]. Технологическая надежность характеризует свойство сохранять во времени первоначальную точность оборудования и соответствующее качество обработки.

Гибкость станков и металлорежущих систем - способность к быстрому переналаживанию при изготовлении других деталей. Гибкость характеризуется двумя показателями - универсальностью и переналаживаемостыо [155].

Универсальность определяется числом разных деталей, подлежащих обработке на данном станке, т.е. номенклатурой обрабатываемых деталей. Переналаживаемость определяется потерями времени и средств на переналадку МС при переходе от одной партии заготовок к другой партии.

Точность обработанных изделий в основном определяется точностью металлорежущих систем. Принято разделять ошибки МС, влияющие на точность обработки, на несколько групп.

Геометрическая точность зависит от ошибок соединений и влияет на точность взаимного расположения узлов металлорежущей системы при отсутствии нагрузок. Кинематическая точность необходима для металлорежущих систем, в которых сложные движения требуют согласования скоростей нескольких простых, для обеспечения заданной траектории движения режущей кромки инструмента относительно заготовки. Жесткость МС характеризует их свойство противостоять появлению упругих перемещений под действием стационарных или квазистационарных силовых воздействий. Виброустойчивость станка или МС определяет способность противодействовать возникновению колебаний инструмента относительно заготовки, снижающих точность и производительность обработки.

Теплостойкость металлорежущей системы характеризует сопротивляемость возникновению недопустимых тепловых деформаций при действии внутренних и внешних источников тепла. Точность позиционирования характеризуется величиной ошибки вывода узлов металлорежущей системы в заданную позицию по одной или нескольким координатам.

Точность обработки является главным показателем качества металлорежущей системы. В металлообработке под точностью обработанной детали понимают точность размеров, формы и взаимного расположения поверхностей, их волнистость и шероховатость. Точность обработки зависит от всех компонентов МС - станка, инструмента, заготовки, приспособления, их технического уровня и качества. Точность обработки детали в металлорежущей системе связана и с другим основным показателем -производительностью. Чем выше запас по точности, тем более высокие режимы обработки можно применять на станке, а значит может быть достигнут более высокий уровень производительности. Вопросы, связанные с обеспечением и расчетом данных показателей рассмотрены в трудах Базрова Б.М., Бржозовского Б.М., Бушуева В.В., Заковоротного B.JL, Косова М.Г., Митрофанова В.Г., Проникова А.С., Пуша А.В., Пуша В.Э., Решетова Д.Н. и Портмана В.Т., Соломенцева Ю.М., Суслова А.Г., Тугенгольда В.К. и многих других исследователей [6, 11, 13, 22, 24, 25, 27, 38, 48, 53, 76, 79, 83-85, 100, 101, 104, 108, 118, 119, 124, 127-132, 135, 142-144, 153, 154, 164, 166, 177, 182, 191,195,196,203-205].

В реальных условиях эксплуатации более высокие значения одного из этих показателей могут быть получены за счет снижения другого показателя. Так, точные изделия можно получить применяя чистовые режимы, осуществляя обработку поверхности в несколько проходов и затрачивая на