автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение производительности и точности обработки на токарных многошпиндельных вертикальных полуавтоматах путем управления технологическими параметрами

п —

Л ч

На правах рукописи

Сазонова Наталья Стальевна

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ НА ТОКАРНЫХ МНОГОШПИНДЕЛЬНЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ПОЛУАВТОМАТАХ ПУТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ

Специальность 05.02.08 - "Технология машиностроения"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск 1996

Работа выполнена на кафедре "Технологии машиностроения" Челябинского государственного технического университета.

Научный руководитель -заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Корчак С.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ведущее предприятие -Челябинский тракторный завод.

Защита состоится 2 июля 1996 г., в 11 часов,

в ауд._на заседании специализированного совета Д053.13.05

Челябинского государственного технического университета по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского государственного технического университета.

Автореферат разослан "__1996 года.

Ученый секретарь специализированного совета

Пономарев В.П.; кандидат технических наук Гельфонд МЛ.

•I

доктор экономических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ. В современном массовом и крупносерийном производстве широкое применение для изготовления большой и разнообразной номенклатуры деталей нашли токарные многошпиндельные вертикальные полуавтомату (ТМВПА). Высокая эффективность применения ТМВПА достигается при максимальном использовании их технологических возможностей - концентрации переходов, применении многоинструментных наладок, многостаночном обслуживании. Однако, обследование предприятий ряда отраслей показало, что имеются серьезные недостатки в эксплуатации ТМВПА:

1. Недоиспользуются точностные возможности ТМВПА: наибо-тее распространена обработка по 14 квалитету точности при гаранти-эованном паспортом 9 и даже 8 квалитете.

2. Мал уровень концентрации переходов, чаше всего он ограничивается 15-20 инструментами в наладке, хотя встречаются наладки I 28 инструментов, а по данным Г.И.Темчина их количество может хостигать 70,

3. Наблюдается большая неравномерность загрузки отдельных рабочих позиций полуавтомата. Когда инструменты на большинстве юзиций уже закончили обработку, на одной или двух позициях обра->отка еще продолжается, и производительность операции определяют >ти лимитирующие переходы.

Такой невысокий уровень использования богатых технологиче-:ких возможностей ТМВПА обусловлен практическим отсутствием юрмативных рекомендаций по назначению режимов резания во вза-шосвязи с требованиями по точности формируемых размеров, много->ариантностью и большой трудоемкостью проектирвания обработки ш ТМВПА.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Повышение производительности и точности >бработки на токарных многошпиндельных вертикальных полуавто-латах путем управления технологическими параметрами

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Теоретические исследования фоведекы на базе научных основ технологии машиностроения, тео->ии точности многоинструментной обработки, теории резания метал-юв, теории упругих деформаций дискретных систем.

Достоверность результатов проверена экспериментально в про-рводственных условиях.

Численный анализ математических моделей выполнен на ЭВМ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. !. На основе математического модели-ювания силового взаимодействия элементов технологической си-темы разработана зависимость для расчета величины упругого отжа-ия и интервала его рассеяния в направлении диаметрального размера

при обработке конусов, моделирование точности которых дает вс можность рассчитывать точности цилиндров при угле конуса, равнс 0° , и торцев при угле конуса, равном 90°, то есть практически д всех возможных форм тел вращения.

2. Разработана модель управления режимами резания для обе печения требований по точности размеров при обработке коническ« поверхности на ТМВПА;

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. I. Разработана методика дву параметрической коррекции режимов резания при обработке на т карных многошпиндельных вертикальных полуавтоматах

2. Разработана методика расчета и построения циклограммы р боты участка токарных многошпиндельных вертикальных полуавт матов на заданный диапазон смен, позволяющая определять нор\ многостаночного обслуживания при различных способах замены И1 струментов.

3. Разработаны нормативные таблицы по определению пода для различных схем обработки конической поверхности с универсал! ного суппорта, учитывающие исходную погрешность заготовки, тр буемую точность обработки и угол конуса.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. 1. Руководящий технический мак риал по назначению режимов резания при обработке конической п< верхностн с универсального суппорта на токарных многошпиндел! ных вертикальных полуавтоматах пришгг для использования на ЧТЗ.

2. Результаты работы включены в "Общемашиностроительны нормативы времени и режимов резания на токарно-автоматные рабе ты. Часть II. Токарные многошпиндельные горизонтальные патрон ные полуавтоматы, токарные многошппидельные вертикальные полз автоматы, токарно-револьверные полуавтоматы, автоматы продол* ного точения {Среднесерийное, крупносерийное и массовое произво; ство)", разработанные по заданию Центрального бюро нормативов п труду. Нормативы находятся в печати.

3. Разработаны и приняты к эксплуатации в УГТ ЧТЗ программ ные модули, предназначенные:

-для расчета режимов резания при обработке конических по верх-ностей с универсального суппорта на ТМВПА;

-для расчета и построения циклограмм работы участка токар ных многошпиндельных вертикальных полуавтоматов в течение ряд; смен.

Названные программные модули используются в учебном про цессе в ЧГТУ при выполнении дипломных проектов по специальност» 1201 "Технология машиностроения".

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертацион ной работы докладывались на научно-технических конференциях Чс лябинского государственного технического университета 1991-1996 гг

s

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ

Применение многосуппортных многоинструментных наладок обеспечивает высокую концентрацию переходов и в итоге многократное повышение производительности обработки на ТМВПА по сравнению с универсальными станками.

Анализ отечественных и зарубежных вертикальных полуавтоматов показал, что количество их довольно велико (25 моделей) и выявил их большие потеЛшальные технологические возможности, как в вопросах концентрации переходов (до 70), так и в вопросах обеспечения точности выполнения размеров (до 8 квалитета).

Под методическим рукоЕодством Центрального бюро нормативов по труду нами проведено обследование машиностроительных заводов для выявления реального уровня использования технологических возможностей многошпиндельных вертикальных полуавтоматов.

Обследование проведено на шестнадцати заводах автомобильной и тракторной отраслей (на Уральском автомобильном заводе, Горьковском автомобильном заводе, Челябинском тракторном заводе и др.).

Одной из первых задач обследования был анализ использования точностных возможностей ТМВПА. Диаграмма (рисЛ) демонстрирует, что наиболее распространена обработка по 14 квалитету точности. Обработка с точностью ГШ и точнее встречается намного реже. Так для наружных диаметров обработка по 9 квалитету имеет частоту лишь 2% , для внутренних диаметров -4% , Таким образом, проведен-

Влиамстры . наружные □диаметры

внутр.

Рис.1. Использование точностных возможностей ТМВПА

ный анализ показал, что вертикальные полуавтоматы используются основном для предварительной обработки с точностью размеров IT1 хотя точность до IT9 - вполне достижима.

Второй задачей анализа 6i ло выявление степейи нспользов; ния возможностей ТМВПА г концентрации переходов.

Гистограмма (рис.2) пок; зывает, что чаще всего наладка целом содержит 15-20 инструме1 тов, хотя встречаются наладю * »' 13 « 18 п и и содержащие до 28 инструмента! Рис. 2. Относительная частота т.е. практика подтверждает во: появления различного можность высокой концентраци количества инструмен- переходов, тов в наладке при об- Обследование также выяв!

работке на ТМВПА ло неравномерность загрузки pi

бочих позиций полуавтомата. Ка оказалось, почти во всех рассмо-ренных наладках наблюдается несогласованность по времени работ инструментов на позициях: имеется один - два лимитирующих пер< хода, которые определяют производительность операции.

Таким образом, проведенный анализ использования технолоп ческих возможностей ТМВПА показал, что используются они не бс лее, чем на треть. Уровень точности достигает в среднем 13 квалит« та, концентрация переходов - 18 инструментов в наладке. Вследстви этого в машиностроении традиционно после токарно-автоматно операции планируются доделочные операции.

Эффективность технологической операции во-многом предопр» деляется теорией, методиками и нормативной базой проектирования.

Для проектирования обработки на ТМВПА имеется специализ! ровакный нормативный справочник - "Нормативы по режимам резг ния при мносоинструментной обработке (токарные полуавтоматы)' изданный в 1955 г.

Методика расчета наладки в этом справочнике ориентирован! в основном, на расчет стойкости (25 карт), мощности резания и дс пустнмых нагрузок на элементы станка (24 карты). Всего 1 карта пс дач охватывает лишь 7 видов технологических переходов и учитывае лишь один поправочный коэффициент - на твердость обрабать ваемого материала. , " .

К достоинствам рассматриваемого справочника следует отнест то, что в нем имеется попытка учета требований по точности выпол няемого размера. При назначении подачи учитывается допуск на ра-мер. Однако, при разных диаметрах один и тот же допуск соответ

ггвует разным квалитетам и, следовательно, разным уровням точ-юсти, и на точность выполняемого размера, как показано П.Соколовским, оказывает влияние также исходная погрешность ¡аготовки, чего нет в рассматриваемом справочнике.

Однако, указанные факты подчеркивают необходимость учета точности обработки при назначении режимов резания.

Прототипом и образцом для нового справочника могут служить )бшсмашиностроитедьные нормативы на токарные многошпиндель-ше горизонтальные автоматы 1989 г. выпуска, разработанные на кафедре технологии машиностроения ЧГТУ. В этих нормативах учтены точность выполняемых размеров, погрешность заготовки, структура лногоинструментной наладки.

Вопросами определения и анализа точности обработки занима-шсь многие исследователи: К.В.Вотинов, Б.С.Балакшин, А.П.Соко-ювекий и др. В.С.Корсаковым выведены зависимости для определена искажения размера при одноинструментной токарной обработке. Модели полей рассеяния для многоннструментных наладок рассмотрены в работах А.А.Кошина. Однако, все эти работы касаются обработки цилиндров и торцев на прутковых автоматах.

На ТМВПА, кроме этих работ, есть совершенно специфические->бработка конусов с универсального суппорта. Схема формнронанпя тогрешностей в этом случае не имеет аналога ни в одном другом виде гокарно-автоматного оборудования. Кроме того, по сравнению с футкопымп заготовками (прокатом), исследованными в упомянутых заботах, на ТМВПА применяются более грубые штампованные и литые заготовки разных классов точности.

Таким образом, современное состояние нормативных рекомендаций на токарно-автоматные работы создает практическую предпо-:ылку, а теория размерно-точностного проектирования обработки, эазрабатываемая на кафедре технологии машиностроения ЧГТУ -:оздает теоретические предпосылки данной работы.

Цель работы: повышение производительности и точности обработки на токарных многошпиндельных вертикальных полуавтоматах зутем управления технологическими параметрами.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

- разработка математической модели точности обработки кони-*еской поверхности с универсального суппорта на токарных много-нпиндельных вертикальных полуавтоматах; о

-разработка модели управления режимами резания, обеспечивающими заданную точность размеров, при обработке конической ювсрхности на ТМВПА;

-разработка методики двухпараметрической коррекций режимов резания при обработке на ТМВПА;

- разработка методики и алгоритма построения циклограммы работы участка токарных многошпиндеяьных вертикальных полуавтоматов при многостаночном обслуживании для определения нормы обслуживания при разном порядке замены инструментов;

-разработка программных модулей по расчету режимов резания и организации работы участка ТМВПА для САПР токарно-автомат-ных операций.

МОДЕЛЬ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ НА ТМВПА

Обработка на ТМВПА сопряжена с большими силовыми на-|рузками, и поэтому доля погрешности обработки, обусловленная деформациями технологической системы, здесь весьма существенна. Следовательно, в основу модели погрешности обработки должен быть положен расчет упругих перемещений основных подсистем технологической системы и их влияние на погрешность выполняемого размера. По аналогии с известными моделями выделены две подсистемы: "шпиндель - деталь" и "суппорт - инструмент".

При обработке конической поверхности универсальный суппорт поворачивается на угол конуса. В итоге система координат суппорта с привязанными к ней жесткостамн оказывается повернутой относительно системы координат детали на этот же угол. Вследствие этого на величину искажения, например, диаметрального размера, оказывает влияние не одна составляющая силы резания Ру, как при обработке

цилиндра, а обе составляющие, и Рх, и Ру. Таким образом, имеем новую схему формирования погрешности, которая требует специального моделирования. При этом модель обработки конуса является универсальной, так как при угле конуса § = 0° она трансформируется в известную модель для цилиндра, а при § = 90° - в модель для торца.

В табл. I показаны основные схемы обработки конусов с универсального суппорта, а также баланс сил для каждого случая и уравнения координатных перемещений основных подсистем технологи-чмзсой системы.

В таблице приняты следующие обозначения :

и - перемещения подстстемы "суппорт -инструмент" в направлении осей О'У' и 0'Х';

и -перемещенияподсистемы "шпиндель-деталь" в направлении осей ОУ и ОХ.

Таблица 1

Зхемы обработки и математические модели силового взаимодействия

Продолжение табл. 1

Окончание табл. 1

1 2 3 4

8 ъ/ ,—? 7 1! р. /А/-Р ! Р. - р, = - — 1 £ 2Д Ру'СОБ ^ ~ РХ'БШ Я 5д Р.-СОБ^+Ру.мпг [х~ а

О у

Анализ схем показывает, что все они имеют одну природу и различаются лишь величинами и знаками углов и движения подачи. Поэтому можно рассмотреть механизм формирования погрешности для первой схемы.

Для построения модели искажения размеров рассмотрен баланс упругих перемещений элементов технологической системы (см. рис 3).

XI

Рис. 3. Баланс упругих перемещений при обработке конуса с контурной подачей

Из геометрических соотношений для величины искажения диаметрального размера получено следующее выражение: °

Это выражение определяет структуру погрешности диаметрального размера, влияние на нее элементарных координатных перемеше-

ний подсистем и является базой для создания математической модел! погрешности обработки.

Основной задачей создания математической модели искажение размеров является установление взаимосвязи между величиной иска жения размеров, режимами резания и другими параметрами обработ кн.

Рассматривая баланс сил для выбранной схемы нагружения, подстав ляя в систему выражения для составляющих сил резания, фактическук глубину резания и решая получившуюся систему уравнений, получае«. модель искажения диаметрального размера:

С t^S^V1* С^ tХр* БУр* VZp* sin £

5 о ----,

R Jycos£ Jx

1 cos4 sin25 1 111

где — =-+-- + —; — =---.

J И !д ¡Р J 1д 1д

Jy Jy Jx Jy' J* Jy J*

Характеристики Jy, Jx представляют собой модифицированные жесткости технологической системы для случая обработки конуса с контурной подачей.

В соответствии с положениями технологии машиностроения погрешность выполнения размера характеризуется рассеянием размеров в партии деталей. По Б.С.Балакшину динамическая составляющая погрешности обработки определяется как интервал рассеяния упругих перемещений технологической системы в направлении выполняемого размера:

• Ar = max6R - minSR .

По аналогии с моделями А.А.Кошина в качестве основных факторов, формирующих разброс упругих перемещений, приняты: нестабильность механических свойств обрабатываемого материала (наличие допуска на твердость материала в партии заготовок), разброс жеспсостей технологической системы (наличие допуска на податливость узлов станка, изнашивание станка) и колебание снимаемых припусков (наличие допуска на размеры заготовок).

Для формирования модели поля рассеяния достаточно найти выражения для максимального и минимального значений искажения размера. Однако, величина SR может быть как положительной, так и отрицательной. На рис. 4 показаны три возможных варианта расположения поля рассеяния диаметрального размера.

II

III

шах б н

_ряяяяц " ржжц

тахбд ^ тахбд

ГП1П 6г

15йо

тт 8 г

Рис.4. Возможные варианты расположения поля рассеяния диаметрального размера.

Рассматривая отдельно каждый из этих вариантов, условия их применения и проводя преобразования, получаем окончательное вы» ражение для поля рассеяния диаметрального размера при обработке конуса с универсального суппорта.

Дк =(Е + V)

Ду-СОБ^

+Д1-

при выполнении условия Ср/^У2"" Ср/Р^У^^

Д1

С ¿Ъ-'ьЪуг'Ъ Ср^У^У^т^

* ____ ._..._. __ . V Рх X

ХРу » ХРх

Л •

и в остальных случаях-е +V

Дк =11 + -

С г -У 8'пгу

Ру

С. 1хр» Б^У^вЩ

Ру

-Ди

Следует отметить, что полученная формула носит обобщающий характер, при \ - 0° из нее получается известная формула для обработки цилиндрической поверхности.

Полученная модель точности размеров позволяет на стадии проектирования определить величину погрешности обработки при задан-

ных режимах. Однако, на практике более актуальна обратная задача: назначить максимально допустимые режимы обработки, и, следовательно, обеспечить наивысшую производительность при заданной точности размеров.

. Для получения годных деталей необходимо, чтобы спроектированная наладка обеспечивала выполнение условия:

+Д1-

с ,хРу"18уРу у1ру

Ру

Ду-СОБ^

Х„ -Ру

С^г** аУр* У2р*5ш£

Рх

при выполнении условия:

Ду-сов^

К

м

К

чРх

и в остальных случаях:

-Г,

Лу-сов^

•хРу-

■X

Рх

•Д1

Полученное неравенство представляет собой модель управления технологическими параметрами обработки конуса. Это неравенство дает ограничение на подачу по точности обработки.

Для нахождения подачи при заданных остальных параметрах обработки неравенство необходимо разрешить относительно Б. Однако, правая часть неравенства представляет собой трансцендентное выражение относительно переменной Б, которое не допускает аналитического решения. Поэтому для практического использования модели управления разработано алгоритмическое ее представление, в котором использован алгоритм нахождения корней трансцендентного уравнения. Разработана компьютерная программа, которая позволяет

- подход наладчика к станку для замены группы затупившихся ин-

< г н (

. _п

33

струментов Н

О

25,к 33,1

23,1/

да

317

91?

тЪ £

N23,2

«6,0 «3,8

пзр Щ К

О

т м

«м

/55,0

О

2SS.il

ОД

21(0,6 ^ !51Л и

\тв

Я8.Ч1

зщ

251,1

Щ1 ЛМ

т.

1360.9

т,ц

¡99,1

Щ1г

1тЩ| т-й щ?

Рис. 7. Пример циклограммы работы двух станков при обслуживании их одним наладчиком (групповой способ замены инструментов)

При расчете циклограммы учтены связи времени на подналад с точностью обработки и числом заменяемых инструментов.

На рис. 7 в качестве примера представлена циклограмма рабо-двух станков при групповом способе замены инструментов.

Сравнение рассчитанных циклограмм для разных способов з мены инструментов дало следующие нормы обслуживания при б< простойной работе станка: при последовательном способе замены и струментов -2 станка на наладчика, при параллельном способе заь ны -3 станка на наладчика, при групповом способе замены -5 станк на наладчика.

На основе имитационной модели работы участка полуавтомат разработан программный модуль, предназначенный для расчета и п строения циклограммы работы участка токарных многошпиндельш вертикальных полуавтоматов при обслуживании их одним наладч ком в течение ряда смен, позволяющий определить норму многое! ночного обслуживания.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана методика расчетного определения режимов рез ния для ТМВПА с целью обеспечения требований по точности 1 основе:

- модели точности и модели управления технологическими п раметрами, позволяющих назначить максимально допустимые под чи, и следовательно, обеспечить наивысшую производительность оп рации при заданной точности размеров;

-методики двухпараметрической оптимизации режимов резаш при обработке на ТМВПА, позволяющей получить Наладку с равн мерной загрузкой всех позиций полуавтомата;

- методики расчета и построения циклограммы работы учасл полуавтоматов при обслуживании их одним наладчиком, позволя! щей определить норму многостаночного обслуживания.

2. Результаты работы вошли в "Общемашиностроительные но мативы времени и режимов резания на токарно-автоматные работ) Часть II. Токарные многошпиндельные горизонтальные патронш полуавтоматы, токарные многошпиндельные вертикальные полуавт маты, токарно-револьверные полуавтоматы, автоматы продольно точения (Среднесерийное, крупносерийное и массовое производство) разработанные по заданию Центрального бюро нормативов по труд}

3. Разработан РТМ по назначению режимов резания при обр ботке конической поверхности с универсального суппорта на тока; ных многошпиндельных вертикальных полуавтоматах.

4. На основе полученной математической модели управления технологическими параметрами разработан программный модуль, предназначенный для расчета режимов резания при обработке конических поверхностей с универсального суппорта на токарных многошпиндельных вертикальных полуавтоматах при обеспечении требований по точности размеров.

5. На основе имитационной модели работы участка полуавтоматов разработан программный модуль, предназначенный для расчета и построения циклограммы работы участка токарных многошшшдель-ных вертикальных полуавтоматов при обслуживании их одним налад-чикомв течение ряда смен, позволяющий определить норму многостаночного обслуживания.

По теме диссертации опубликованы работы:

1. Кошин A.A., Сазонова Н.С., Шейкин C.B. Расчет многостаночного обслуживания токарных многошпиндельных вертикальных полуавтоматов // Прогрессивная технология чистовой и отделочной обработки. - Челябинск: ЧГТУ, 1996. - С. 79-86.

2. Богатенков С.А., Юсубов Н.Д., Сазонова Н.С. Оптимизация планов обработки поверхностей, выполняемых на токарных полуавтоматах по критерию производителности // Депонированные научные работы; библиограф, указатель ВИНИТИ. - 1992. - №8. - С.59.

3. Сазонова Н.С. Оптимизация режимов резания на токарных многошпиндельных вертикальных полуавтоматах // Прогрессивная технология чистовой и отделочной обработки. - Челябинск: ЧГТУ. 1996.-С. 71-78.

4. Сазонова Н.С. Статистический анализ применяемых на машиностроительных заводах структур наладок при обработке на токарных многошпнндельныя вертикальных полуавтоматах И Прогрессивная технология чистовой и отгелочной обработки. - Челябинск: ЧГТУ, 1993. - C.8Û-86.

5. Сазонова Н.С.(Фролова Н.С.) Прогнозирование точности при обработке на токарных многошпиндельных вертикальных полуавтоматах II Прогрессивная технология чистовой и отделочной обработки. -Челябинск: ЧГТУ, 1991. -С.75-77.