автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Теория и методика расчета оптимальных циклов обработки деталей на круглошлифовальных станках с программным управлением

ввшаввявввввввяавввовавовеоаяоиввввввяеввввоввввеавввявтЗ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАТ-Ш ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Способы управления и виды автоматических циклов.

1.2. Анализ существующих методов проектирования циклов

ЗНЕИЯ яаввввяавявяаввавяававвявеававвевяяшвязаеа»

1.3. Анализ существующих методов моделирования ограничений производительности операций шлифования.

1.4. Расчетные зависимости для-определения сил резания ■• ~ при шлифовании.

1.5. Цель и задачи исследования.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СЪЕМА МЕТАЛЛА ПРИ КРОТОМ ВРЕЗНОМ

ПиЛД^'ОВ^РЙ^!/? *»вввя*вввяввв*авао»явввя*оввяв*ввааеявяяввяввя«®в 4:

2.1. Классификация видов поперечных подач и их скоростей.

2.2. Общее описание автоматического цикла шлифования.

2.3. Теоретические предпосылки к расчету наиболее производительных циклов шлифования.

2.4. Моделирование процесса съема металла при круглом врезном шлифовании.

3. ОПТИМИЗАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ЦИКЛА КРУГЛОГО ВРЕЗНОГО ШЛИФОВАНИЯ.

3.1. Постановка задачи оптимизации.

3.2. Выбор целевой функции.

3.3. Формирование комплекса технологических ограничений целевой функции.—

3.4. Выбор метода оптимизации.

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОГРАНИЧЕНИИ ЦЕЛЕВОМ ФУНКЦИИ.

4.1. Моделирование ограничений целевой функции по допустимой погрешности размеров обрабатываемой поверхности.

4.2. Моделирование ограничения целевой функции по осыпаемости шлифовального круга.

4.3. Моделирование ограничений целевой функции по допустимой глубине дефектного слоя (прижога) на обрабатываемой поверхности.

4.4. Моделирование ограничений целевой функции по допустимой шероховатости обрабатываемой поверхности.

4.5. Моделирование расчетного диапазона изменения степени затупления круга за период стойкости между правками.

4.6. Моделирование комплекса переменных технологических условий при проверке ограничений целевой функции.

4.7. Моделирование ограничений целевой функции по допустимому количеству ступеней переключения программной скорости подачи.

4.8 Моделирование ограничения целевой функции по мощности привода вращения круга и заготовки. РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНЫХ ЦИКЛОВ ШЛИФОВАНИЯ

5.1. Подготовка исходных данных для расчета по программе оптимального цикла шлифования.

5.2. Выбор частоты вращения детали и характеристики круга.

5.3. Учет некоторых особенностей алгоритма оптимизации цикла шлифования.----.

5.4. Описание общего алгоритма оптимизации.

5.5. Применение опорного цикла для сокращения количества возможных вариантов перебора.

5.6. Методика сокращения количества неперспективных ходов на основе анализа предшествующего состояния процесса

III JlIfïCpO S clJEDZÎ овввв»*»»апвв»ввве®вяво»оявв»вв»оов«еаеяяэзз

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

6.1. Проверка взаимосвязи силы резания с фактической

Постоянное повышение качества выпускаемых машин при обеспечении высокой производительности технологических процессов их изготовления - одна из главных задач современного машиностроения.

Шлифование является основным методом обеспечения высокой точности изготовления деталей машин. Удельный вес шлифовальных станков в общем объеме металлорежущего оборудования постоянно возрастает и достигает, например,на автозаводах западных стран 80%. Среди шлифовальных станков примерно половину составляют круглошлифовальные станки.

За последнее время в отечественном и зарубежном машиностроении наметилась тенденция увеличения дож шлифовальных станков, оснащенных приборами активного контроля. Производительность обработки на таких станках в 1,5.2,5 раза выше по сравнению со станками с ручным управлением. Управление производительностью операции на кругло-шлифовальных станках с программным управлением производится по управляющей программе, путем ступенчатого изменения программной скорости подачи по командам прибора активного контроля в зависимости от оставшейся части припуска.

Разработка управляющих программ является важнейшим этапом проектирования технологического процесса обработки деталей. От качества ее разработки зависит производительность операции, полнота использования технологических возможностей станка, количество бракованной продукции в пуско-наладочный период.

Несмотря на то, что круглошлифовальные станки с программным управлением широко применяются в производстве на протяжении многих лет, до сих пор программирование производительности и точности обработки зависит от опыта и квалификации рабочего или наладчика, подбирающих программу обработки. Анализ использования шлифовальных станков с ЧПУ показал [106], что их возможности по производительности используются только на 50.70%. В связи с этим производительность обработки на таких станках оказывается зачастую ниже, чем на универсальных, хотя стоимость станков с ЧПУ в несколько раз выше, чем станков с ручным управлением подачи.

Практика эксплуатации круглошлифовальных станков с программным управлением показывает, что программная скорость подачи подбирается наладчиком экспериментально для каждой новой детали. Экспериментальный подход вызывает большие материальные затраты и растянут по времени, поскольку необходимо провести пробную обработку каждой шлифуемой поверхности детали при различных численных значениях программной скорости подачи для каждой ступени цикла при разных распределениях припуска по ступеням цикла. Так как обычно на операции производится последовательная обработка нескольких поверхностей детали (например, шеек вала), имеющих различные чертежные требования по точности и шероховатости поверхности, то число пробных вариантов оказывается большим. Причем характеристика круга, установленного на станке, не для всех обрабатываемых шеек заготовки будет рациональной (например, одна зернистость круга для разных шероховатостей шеек вала). В условиях серийного и мелкосерийного производства (для небольших и часто меняющихся партий заготовок), доля времени, которая теряется на подбор режимов в программе обработки для каждой шейки вала, оказывается очень большой. В результате, для гарантированного обеспечения разных чертежных требований (точности и шероховатости), чаще всего назначается цикл шлифования с заведомо заниженным уровнем программных скоростей подач.

На предприятиях с межосерийным и серийным производством до операций, что приводило к резкому возрастанию объема работ по технической подготовке производства, включая разработку и эксперимендо 1 млн. 600 тыс. детале тальную коррекцию управляющих программ. Поскольку трудоемкость проектных работ на предприятиях мелкосерийного и серийного производства составляет до 50% от Есех затрат на изготовление изделия, то по мере повышения уровня автоматизации, производительность производства все в большей мере становится зависимым от производительности и качества технологической подготовки производства, а, именно, разработки программ, обеспечивающих без "проб и ошибок" режимы наибольшей производительности.

Разработка таких программ требует создания новой нормативной базы назначения наиболее производительных режимов резания, содержащих расчетные данные о требуемом распределении припуска по ступеням цикла и значению скоростей подач на каждой ступени циклов для разных условий шлифования, что, в свою очередь, требует создания методики, решающей задачу расчета высокопроизводительных циклов шлифования, обеспечивающих требуемую чертежом детали точность и качество поверхностного слоя обрабатываемой поверхности. Существующие нормативы режимов резания предназначены для станков с ручным управлением и содержат среднюю за цикл обработки скорость подачи, по которой производится расчет основного времени.

Учитывая большое количество проектируемых операций шлифования и ограниченные сроки их проектирования, а также многовариантность возможных технологических решений, становится очевидной необходимость расчета оптимального варианта. Такие разработки являются актуальными и могут оперативно решаться путем автоматизированного проектирования, ускоряющего этот процесс в десятки раз.

Таким образом, для эффективного использования круглошлифоваль-ных станков, необходима разработка методики проектирования автоматических циклов шлифования и создание соответствувдеЗПюрйатишкЯГ справочной базы по оптимальным режимам шлифования. Создание такой базы возможно на основе разработки математических моделей, адекватно описывающих процесс съема металла как при всех возможных сочетаниях основных технологических факторов, так и во всех диапазонах их допустимого варьирования. Разработка таких моделей желательна на основе моделирования теоретического (а не эмпирического) взаимовлияния различных технологических факторов в процессе шлифования,

Учеными, работающими в области абразивной обработки, давно осознана важность и актуальность решения задачи проектирования циклов шлифования и даже сформулирована постановка задачи оптимизации цикла [833. В этих работах сформирован комплекс технологических ограничений производительности операции, к важнейшим из которых относятся точность размера и качество поверхностного слоя обрабатываемой поверхности заготовки (шероховатость, прижог и др.), количество ступеней цикла, распределение припуска по ступеням цикла), стойкость шлифовального круга и другие факторы. Трудами ряда ученых произведено математическое моделирование технологических ограничений, главным образом путем обобщения экспериментальных данных. На этой базе исследованы некоторые закономерности их влияния на производительность цикла шлифования и качество обрабатываемой поверхности.

Однако недостатком этих исследований является экспериментальное установление связи режимов резания (производительности процесса) лишь с отдельными технологическими ограничениями, в то время, как необходим комплексный учет их одновременного действия при обработке каждой шлифуемой поверхности. Из-за разнообразия применяемых моделей и условий их получения в разных работах, оказывается невозможным их "стыковка" для расчетной оптимизации режимов резания.

Поэтому целью работы явилась разработка теории и методики расчета автоматических циклов шлифования на основе моделирования взаимосвязи режимов резания с точностью и другими показателями качества и создание соответствующей информационной справочной базы, а также о последующего автоматизированного проектирования оптимальных операций шлифования,

Работа выполнялась в соответствии с Программой Госкомитета СССР по науке и технике на 1986 - 1990 годы в рамках решения научно- технической проблемы 0.76.01. "Разработать и внедрить систему методических и нормативных материалов, типовых решений по научной организации труда, обеспечивающих эффективное использование техники и трудовых ресурсов" по заданию 08.01.А."Разработать и внедрить методические рекомендации по расчету норм времени на ЭВМ в едином цикле с автоматизированным проектированием технологических процессов" (этап Т2Н: Разработать "Базовый программно- методический комплекс автоматизации нормирования технологических процессов механообработки резанием"). В рамках этой программы настоящая тема утверждена Постановлением Госкомтруда СССР (как госзаказчиком) N292 от 08=08.86г. и Приказом Минвуза N 66 от 29.01.87г.

Научная новизна работы состоит в установлении функциональных связен между производительностью обработки и рядом факторов: требуемой точностью обработки детали, точностью заготовки, шероховатостью, бесприжоговостыо, затуплением круга и параметрами технологической системы. Она базируется на закономерностях изменения силовой нагрузки технологической системы и соответствующих изменениях параметров качества детали при изменении технологических условий шлифования в широком диапазоне.

Аналитические зависимости для определения сил резания, разработаны на основе закономерностей механики (теории пластичности и упругости) и упругих деформаций технологической системы для разных технологических условий шлифования.

Методика позволяет максимально использовать возможности технологического оборудования и обеспечивает расчетное проектирование многоступенчатых циклов шлифования, выполняемых на станках с программным управлением, оснащенных приборами активного контроля.

Полученные расчетные модели определили взаимосвязь основных параметров обработки: программных скоростей подач и распределение припуска на обработку для каждой ступени цикла, частоту вращения заготовки, диаметров заготовки и шлифовального круга, характеристики круга, механических характеристик обрабатываемого материала, погрешности заготовки, жесткости технологической системы с получаемой точностью размеров и формы деталей, шероховатостью, бесприжого-востью и затуплением круга.

Использование новой расчетной методики позволило разработать технологическую справочную базу для систем автоматизированного проектирования и нормирования операций шлифования. Разработаны, прошли промышленную апробацию на заводах и изданы "Общемашиностроительные нормативы времени и режимов резания для нормирования работ, выполняемых на универсальных и многоцелевых станках с числовым программным управлением" (Часть II. Нормативы режимов резания.- М.: Экономика, 1990, 473с.), в которых впервые решена задача определения расчетно обоснованных режимов резания и минимального основного времени цикла обработки для операций круглого врезного шлифования. В нормативах приведены карты для определения программных скоростей подач и распределения припуска по ступеням цикла в зависимости от перечисленных выше факторов.

Решение задач управления производительностью обработки в зависимости от исходного качества заготовок и достижимого качества готовых деталей являются существенным вкладом в повышение производительности станочной обработки и технологического обеспечения требуемого качества деталей и машин. В соответствии с заданием упомянутой выше программы, разработана автоматизированная система проектирования и нормирования операций, выполняемых на круглошлифовальных станках с ЧПУ, с использованием новых моделей ограничений по диапа

11 зонам затупления шлифовального круга, типоразмеров и точности заготовок, диапазонам колебания припусков, расширенных диапазонов технических характеристик станков, приборов активного контроля, увеличенным количеством ступеней цикла, более точным проектированием цикла вследствии отсутствия поправочных коэффициентов на элементы цикла и нормативной дискретности технологических параметров.

Результаты исследований, в виде отдельных руководящих технических материалов и прикладных программ для расчета режимов резания, внедрены на 5 предприятиях.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на 24 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе на трех международных.

Основное содержание диссертации изложено в 42 публикациях и в 3 отчетах по НИР.

ХУ. Заключение

1. Сумма годового экономического эффекта (долевого)

Эс . 15

Э « -2-* 2520,1 тыс.руб. р 100 два миллиона пятьсот двадцать тысяч сто рублей.

2. Сметная стоимость НИР 45 тыс,руб.

3. Коэффициент экономической эффективности затрат НИР

Представители ЧШ: Научный руководитель теш

С.Н.Корчак

Ответственный исполнитель Г.И.Буторин

Зав. отделом внедрения НИР

П „ Г № , И.А.Лешукова

Представители ДБНТ: елом, машиностроения Л.А.Филиппова

Начальник ИЭО

Главный бухгалтер "р

Е.В.Ияткина

Источники образования эконощчеокого^э^фектад Улучшение качества нормативов, повышение точности расчетов при одновременном снижении (благодаря применению ЭВМ) трудоемкости нормирования.

Методш$аопред§яенияэконош использоваш!ая в ^а^четах^ Методика расчета экономической эффективности мероприятий НОТ. М: Экономика, 1978.

Осношще^исхздные &анныеиисточ|шших получение

Ед. !Значение показателей Наименование показателей 1изм.! базового"" Тнового ~ " ! ! варианта !! варианта

Источники "! получения !и обоснование

1. Численность рабочих, за- чел. 63000 нятых на шлифовальных и доводочных станках

2. Коэффициент, учитывающий - 1,1 дополнительную заработную плату

3. Коэффициент, учитывающий - 0,14 отчисление на социальное страхование

4. Средний уровень выполнения % 118,3 норм выработки по работам, охваченным сборником нормативов, У

5. Средний разряд по раб о- - 3,7 там, охваченным сборником нормативов, Н

6. Часовая тарифная ставка руб. 0,651 по выполняемым работам, Р

7. Размеры премии за выпол- % 40 нение технически обоснованных норм, П

8. Затраты на разработку тыс. -нормативов, 3 руб.

9. Доля экономического эф- % * teKTa организации разраотчика темы

63000 1,1 0,14 105,0

3,7

0,651 40

45,0 15

10.Средняя трудоемкость работ, охваченных сборником, Тч

Данные ЦЕНТ

Исходные данные предприятий и результаты апробации vM.0 II0527200 II0527200

Смета затрат

Положение о порядке определения экономической эф" фективности от внедрения отраслевых нормативных материалов по труду

6300 х 8 х х 258 х 0,85