автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Теория и практика оптимизационного проектирования механической обработки маложестких заготовок

Ссккт-ПотербургеккП государственный тозкячзсйпй ^ уииеерсмтет

—-:-

На прппая рукописи

ВАСИЛЬКОВ Дмитрий Вэтальоаяч

УДК 021.531.3-1 ,021.0.115

ТЕОРИЯ £1ПРАКТИКА ОГТШУШАЦИ /НОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГЛЕХАНЙЧЕСКОЙ С&РА50ТКИ ГЛАЛО^ШСТЕШХ ЗАГОТОВОК

Специальность 05.03.61 - процессы моязничоскоЯ ei фязпхо-тоякачзскоП обработай, стпики ci кксгрушнт

Даторофсрат диссертации

КЗ COnCKSHHO уЧОНОЙ СТеП9КС1

доктора тожкячоскиа наук

Спнет-Потор0ург 1097

Работа выполнена в Санкт-Петербургском ижп. машиностроения (ЛМЗ-ВТУЗ).

Научный консультант: академик Международной, Российск

и Санкт-Петербургской Инженерных а демий, заслуженный деятель наую техники РФ, Д.Т.Н., профессор Вейц I

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Мурашкнн С.Л.

доктор технических наук, профессор Кудиноа В.А.

доктор технических наук, профессор Гензбург Л .П.

Ведущая организация - Институт проблем машиноведения Pi

Защите состоится "23" декабря 1S97 г. в 16 часов на засед диссертационного совета Д 063.38.16 в Санкт-Петербург государственном техническом университете по адресу: 19Е Санкт-Петербург, Политехническая ул., дом 29,1-й учебный ко; ауд. 41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке С Петербургского государственного технического унизерситета

Автореферат разослан m2\"uoJtSpJ 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.Т.Н., проф.

И.А.Сен

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В современном машиностроении на-гг широкое применение детали, обладающие повышенными орматнвными свойствами. Это, прежде всего, корпусные де-оболочечного и коробчатого типа, гребные винты постоянного гулируемого шага, лопасти гидравлических турбин и насосов, ITKI1 паровых и газовых энергетических стационарных машин, mai газотурбинных двигателей летательных аппаратов, шнеки шинах пищевой и химической промышленности и пр. Изготовлений маложестких изделий осуществляется по совре-юй технологии, в основном, на фрезерных и расточных станках, ормативные свойства детали отображаются тем или иным 1зом и в заготовке, что создает определенные сложности при ?нической обработке в условиях обеспечения высоких ований к качеству изделий. Однако дэформотивные свойства говки проявляются в технологической системе иначе, чем в трукции машины. Поэтому можно выделить класс маложестких говок, относя к ному заготовки, деформзтионыо свойство рых являются доминирующими в формировании итегративных ических и динамических характеристик технологаческой сис->1, определяющих качество и регламентирующих режимы (а, деветольно, и производительность) механической обработки. Считывая уникальность указанных изделий, изготавляемых час-единичных экземплярах или весьма малой серией, их высокую ¡мость, труднообрабатывоомость материалов и пр., проблема течения высокопроизводительной механической обработки с олнением требований по качеству относительно многих ериов является актуальной проблемой современного ма-остроения. Важность указанной проблемы привела к необходи-ги проведения работ в рамках ряда научно-технических рамм: "Гибкие автоматизированные производства", M НТК нежность машин" и др. Актуальность проблемы подтверждена ее присуждением фантов по темам научных работ, выпол-дых под руководством автора дипломниками и аспирантами. Цель работы. Разработка теории и методов практической реа-1ции оптимизационного проектирования механической обрам маложестких заготовок деталей ответственного назначения. Методы исследования. В работе использованы теоретические и юриментальные методы исследования. Теоретические иссле-

давания осуществлялись на базе научного машиноведения, технологии машиностроения и теории резания металлов с использованием методов механики сплошной среды, теории упругости, теории автоматического управления, прикладной теории колебаний, математической статистики, а также численно-аналитических методов, таких как метод исследования дифференциальных кусочно-линейных систем, метод конечных элементов в линейной и нелинейной постановке и др. Широко использованы современные ПЭВМ, а также методы цифрового имитационного и натурного моделирования при решении поставленных задач оптимизационного проектирования. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием современных программно-аппаратных средств с целью идентификации параметров моделей, проверки и корректировки результатов теоретических исследований, а также решения частных задач оптимизационного проектирования.

Научная новизна. Научная новизна полученных в работе результатов заключается в следующем:

» предложена концепция оптимизационного проектирования механической обработки маложестких заготовок;

• выделен представительный класс маложестких заготовок с достаточно полным отображением их деформативных свойств в динамических моделях технологических систем при механической обработке с учетом их специфических особенностей;

• разработан метод построения на основе иерархического принципа совокупности линеаризованных динамических моделей и их упрощенных аналогов в ограниченном частотном диапазоне, для решения как задач анализа, так и частных задач оптимизации механической обработки маложестких заготовок относительно предложенного комплексного критерия эффективности;

« получены на основе исследования нелинейной динамической модели результаты, позволяющие оценить область допустимой линеаризации исходных моделей, а также область допустимого управления режимами резания с использованием положений теории технической устойчивости;

• предложен обобщенный векторный критерий качества механической обработки, отображающий совокупность требований по точности размеров и формы, а также состоянию поверхностного слоя обрабатываемых изделий;

разработаны методы комплексной оценки свойств поверхностного слоя обрабатываемых маложестких заготовок, основание на использовании предложенной оригинальной аппаратуры и эффективных измерительно-вычислительных комплексов; предложен применительно к современным металлорежущее станкам метод программной модификации, позволяющий ка основе оптимизационного проектирования обработки повысить во эффективность при выполнении требований относительно комплексного критерия качества.

Практическая ценность. Практическая ценность результатов, юлученных в диссертации, заключается в: разработанных методиках, алгоритмах и программах, реализующих задачи динамики и обеспечения качества при механической обработке маложестеих заготовок;

программно-аппаратных комплексах для осуществления динамической имитации в процессе резания и контроля состояния поверхностного слоя обрабатываемых изделий; • системе программной модификации на основе оптимизационного проектирования механической обработки мапояоеткнх заготовок для решения задач повышения эффективности обработки, стабильности качества готовых изделий и реализации новых методов управления технологической системой с целью расширения технических возможностей современных металлорежущих станков.

Реализация в промышленности. Метод программной модифи-«зции при обработке сложнопрофипьных маложестких заготовок юлучил практическое применение в энергетическом машиностроении (АО "Ленинградский металлический завод", АО Электросила" и др.). Предложенные методы оптимизационного проектирования процессов механической обработки слож-нопрофильных маложестких заготовок апробированы в условиях индивидуального и мелкосерийного производства на предприятиях Санкт-Петербурга. Предложены и реализованы в условиях промышленного производства: новые методы контроля напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя и совокупности физико-механических характеристик на основе использования ИВК "Динамика", Профиль" и Твердость"; автоматизированная система програмной модификации, которые использованы при выполнении исследований в ряде промышленных и

научных организаций (таких как АО "Звезда", АО "Свердлов", ВНИ-ИД, АО "НПКЦ Контакт", ВНИТИ Энергомаш, СПбГТУ и других организациях и предприятиях северо-западного региона РФ). Выполненные разработки приняты для внедрения на промышленных предприятиях России Санкт-Петербургской Инженерной академией, а также Ассоциацией центров инжениринга и автоматизации Российской Федерации.

Апробация работы. Основные научные результаты работы докладывались в 1882-1997 г.г. на Международных, Всесоюзных и Всероссийских научно-технических конференциях, симпозиумах, совещаниях и семинарах: Пенза (1982, 1987), Рыбинск (1982), Челябинск (1982,1988), Санкт-Петербург, ДНТП (1982-1996), Каунас (1983), Свердловск (1983, 1990), Воронеж (1984), Нарва (1986), Нижний Новгород (1988, 1991, 1992, 1996), Иваново (1989, 1995), Тбилиси (1991), Москва (1994), Одесса (1995), Новгород (1996), Пермь (1996), Харьков (1996), Ростов-на-Дону (1997), а также на заседании президиума НТС РОСКОММАШа РФ (1994), Научно-технических семинарах СПбИМАШ (1993-1997), Международной Школе по нелинейным колебаниям механических систем, РАН РФ (1997).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 110 научных работ, в том числе 3 монографии и 1 патент.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и заключения, изложенных на 273 страницах машинописного текста, содержит 71 рисунок, 19 таблиц, список литературы, включающий 212 наименований, два приложения.

В работе приняты следующие обозначения: ТСМО -технологическая система механической обработки, МКЭ - метод конечных элементов, ИВ К - измерительно-вычислительный комплекс.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Одной из наиболее сложных и до настоящего времени недостаточно изученных является проблема моделирования процесса резания в ТСМО. Изучение процессов резания на основ» соответствующих достижений механики твердого тела, физики металлов и экспериментальных методов систематически осуществляется с середины XIX века. Значительный вклад в науку и практику механической обработки металлов внесен отечественными

учеными Ю.М.Бароном, В.Ф.Безъязычным, И.М.Бвспрозоскиъа, В.Ф.Бобровым, В.Л.Вейцем, С.Ф.Глебовым, Ю.И.Городоцккэ, Г.И.Грановским, И.Г.Жарковым, В.Л.Заковоротным, М.И.Клушиныи, В.А.Кривоуховым, В.А.Кудиновым, М.Н.Лариным, А.И.Левиным, Т.Н.Лоладзе, Л.С.Мурзшкиным, С.Л.Мурашкиным, А.В.Панкиным, В.Г.Подпоркиным, В.Н.Подураевым, В.Э.Пушем, А.В.Пушвм, Н.И.Резниковым, А.Н.Розннковым, А.М.Розонборгом, С.С.Силиным, В.К.Старковым, М.А.Шатеркным, М.Е.Эльясбергом и др.

При обреботко резанием маложостких сложнопрофильных заготовок существенно важной является проблэг.ш обеспэчония заданных размеров и формы изделия. Она обусловлена том, что заготовка имеет высокую податливость, которая, в свою очередь, приводит к снижению запаса устойчивости технологической систомы в процессе розания. При этом возникают погрешности, связанные с деформативностью и измэнаниом состояния поворхностного слоя обработанного изделия. С роди крупных достижений з исследовании качества мохсничоской обработки отметим результаты, продстоапанкыо в роботах Б.М.Базрова, Н.А.Борода-чова, В.А.Валотово, А.Н.Геврилова, А.М.Дальского, Н.Б.Демкина, В.С.Корсакова, A.A. М эталона, А.С.Проникозз, Д.Н.Рошотова, Э.В.Рыжова, А.Г.Суслова, А.И.Якушева, А.Б. Яхина и др.

При многокоординатной обработке маложестких заготовок на станках с ЧПУ непрерывно изменяются основные параметры процесса резания, к числу которых относятся скорость резания, толщина среза, взаимное рвеположанио рожущего инструмента и заготовки. В настоящее время на этапа технологической подготовки производства влиянио динамической систомы на процосс формообразования маложестких изделий при розании учитывается, как правило, весьма приближенно. В практике обработка указанных изделий производится, в основном, при недостаточном учете многообразия определяющих факторов. Рожимы резания, задаваемые в управляющей программе, выбираются обычно на базе общемашиностроительных нормативов или по результатам ограниченного практического опыта, без необходимого учета динамических свойств ТСМО, возможности обеспечения точности обработки, качества об-рабатываомой поверхности. Следствием этого является нополноо использование возможностей станков с ЧПУ по управлению процессом резания, что определяот резерв существенного повышения гсроизводительности обработки за счет оптимизации ео на этапа

технологической подготовки с учетом особенностей взаимодействия элементов ТСМО.

На основании выполненного анализа и в соответствии с целью работы в диссертации определены следующие основные задачи исследования:

• выделение на основе критериального подхода классе маложестких заготовок в технологической системе механической обработки на станках с числовым программным управлением;

• разработка эффективных методов построения совокупности динамических моделей технологических систем на основе иерархического подхода при различных видах механической обработки для решения задач оптимизационного проектирования механической обработки маложестких заготовок;

• разработка комплексного критерия качества механической обработки и использование его в качестве основы многокритериальной (векторной) оптимизации процессов механической обработки маложестких заготовок;

• разработка научно обоснованного метода эквивалентной аппроксимации в заданном частотном диапазоне исходной многомерной динамической модели технологической системы при обработке маложестких заготовок ее упрощенными аналогами малой размерности для использования в качестве основы при решении комплекса задач динамического анализа и оптимизационного синтеза;

• построение на базе исследования линеаризированных динамических моделей технологических систем совокупности характеристик динамического качества в пространстве варьируемых параметров при механической обработке маложестких заготовок;

« постановка и решение частных оптимизационных задач при проектировании механической обработки маложестких заготовок на металлорежущих станках различного типа;

• постановка и решение ограниченных задач управления технологической системой на основе нелинейной динамической характеристики резания при обработке маложестких заготовок;

• разработка эффективных методов управления качеством поверхностного слоя обрабатываемых сложнопрофнльных маложестких заготовок и соответствующего аппаратного обеспечения для контроля качества;

♦ развитие метода программной модификации для современных металлорежущих станков при обработке маложестких заготовок с учетом их технологической наследственности и деформаций в процессе обработки для повышения качества обработки относительного комплексного критерия;

• выполнение представительных экспериментов для обоснования предложенных моделей и допустимости использованных исходных предположений, правомерности рекомендаций по повышению производительности и качества механической обработки маложестких заготовок;

» разработка научно обоснованных рекомендаций по практическому применению полученных в работе результатов в условиях современного производства, включая решение совокупности задач автоматизации технологической подготовь производства.

2. РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОПТИМИЗАЦИОННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАЛОЖЕСТКИХ ЗАГОТОВОК

Предложена совокупность показателей, определяющих динамическое состояние ТСМО. Они представляют собой количественную оценку основных статических и динамических свойств ТСМО при локальной модификации характеристик заготовки.

Статические показатели отображают свойства деформатив-ности заготовки в технологической системе на трох уровнях анализа и принятия решений при технологической подготовке. На первом уровне, с учетом принадлежности детали к классу маложестких, решается задача оптимального базирования заготовки («11). На втором уровне осуществляется оценка деформативности заготовки в балансе жесткости технологической системы У 2). На третьем уровне оценивается степень влияния деформативности заготовки по той доле потенциальной энергии деформаций, которая вносится подсистемой "заготовка" в потенциальную энергию ТСМО Уз). На основе перечисленных показателей формируются деформативные характеристики заготовки с последующим обосновыванием выбора структуры динамической модели. Динамические показатели определяют возможности обеспечения динамического качество обрабатываемой заготовки, причем они составляют два уровня. На

первом уровне осуществляется поиск высокодобротных контуров в рабочем частотном диапазоне (*1д). Второй уровень предусматривает определение характеристик динамического качества ^5).

К числу важнейших относится задача построения в пространстве параметров границ областей устойчивости ТСМО:

♦ верхней предельной - построенной в предположении, что заготовка является абсолютно твердым телом;

♦ нижней предельной • построенной с использованием статических характеристик второго уровня (при отсутствии корректирующих устройств в системе базирования - закрепления);

♦ промежуточной - построенной для частных решений при использовании корректирующих устройств.

Относительное положение верхней и нижней предельных границ определяет резерв повышения динамического качества при управлении технологической системой для рассматриваемых методов обработки. Критерий динамического качества формируется, основываясь на сопоставлении границ областей устойчивости предельной и промежуточных. Для этого введены интегральные характеристики 8ни в, отображающие положения границ областей устойчивости в плоскостях сечений пространства параметров, которые определяются согласно выражениям X X

$м = ; КУ-УУЧх , (1]

о о

где Уо - ордината границы области устойчивости технологической системы с жесткой заготовкой; VI - ордината границы облаете устойчивости технологической системы с маложесткой заготовкой (без корректировки подсистемы базирования и закрепления); V ордината границы области устойчивости технологической системы ( маложесткой заготовкой после введения корректировки подсистемь базирования и закрепления; Хц - предельное значение абциссь варьируемых параметров.

В качестве критерия принято отношение интегральных харак теристик ^Б/Бы, определяющее уровни оценки критери; динамического качества при построении динамической модел» ТСМО, в которой параметры заготовки: можно учитывать прибли женно или вообще не учитывать; необходимо учитывать, приче» тем полнее, чем больше это отношение; необходимо учитывать п< уточненной схеме.

При решении задач определения характеристик динамического качества выявляются не столько резервные, сколько реализуемые (относительно нижней предельной границы) возможности модификации технологической системы. Критерий J5 позволяет сопоставлять не только границы областей устойчивости в выбранном пространстве параметров, но и границы равного качества поверхностного слоя, которое определяется микрогеометрией поверхности, ее напряженно-деформированным состоянием и пр. Указанный комплекс задач решается на основе низкочастотных высокодобротных моделей (как правило, двух-четырехконтурных). Изложенный алгоритм при соответствующем варьировании условий приводит к некоторому множеству решений. Окончательный выбор варианта из множества сопоставимых осуществляется на основе экспортных оценок, хотя на отдельных этапах решаются оптимизационные задачи.

При рассмотрении элементов технологической системы введены основные классификационные признаки применимости различных схем МКЭ, который получил широкое распространение в практике исследования конструкций, в том числе элементов ТСМО. Они определяются в основном особенностями деформативных характеристик рассматриваемых элементов и разделяются по виду, размерности, структуре и составу элементов. Решение задачи ускоряется примененном интегрированных коночноэлвментиых комплексов, например, KOSMOS/M. Однако, библиотеки стандартных элементов нэ учитывают специфических особенностей изделий, в частности, стесненности кручения для закрученных стержней открытого типа (турбинных лопаток, лопастей летательных аппаратов и др.). Для решения данной проблемы разработана подсистема формирования конечных элементов с нестандартными характеристиками. Так, матрицы жесткости и инерции коночного элемента турбинной лопатки (рис.1) имеют следующий вид

K^JiL^CH^fG^H^LJdz ;

а (2)

Me = J[L^(H_1)TG^A H^LJdz , о

где Е1, А - (4 х 4)- матрицы коэффициентов упругости и инерции; 31, Оз - (4 х 12)-матрицы приведения кинематических характеристик деформации к обобщенным координатам и скоростям элемента модели; Н - (12 х 12)-маггрица коэффициентов приведения; - (12 х 12)-матрица направляющих косинусов; г - текущая координата вдоль продольной оси элемента; а - длина конечного элемента.

Рис. 1. Конечный элемент мапожесткой заготовки в процессе резания.

Для исследования системы в целом рассмотрены две обобщенные подсистемы - заготовки и режущего инструмента. Подсистема заготовки включает несущую систему, приспособление, собственно заготовку. Подсистема режущего инструмента включает несущую систему, систему закрепления и собственно инструмент. Связь между подсистемами осуществляется оператором резания при взаимодействии подсистем заготовки и режущего инструмента. В пространстве переменных состояния подсистемы заготовки и инструмента описываются матричными уравнениями

где У - [(2ш+1)х1]-вектор переменных состояния; О - [(2т+1)х (2т+1)]-матрица приведения; О - [(2пгИ)х1]-матрица возмущения; О - (тх1)-вектор обобщенных координат модели; С - [тх(2ш+1)]-матрица преобразования координат; f - площадь среза; гп - число обобщенных координат.

Учитывая, что технологическая система, как правило, является слабодиссипативной, а частотный диапазон возмущений ограниченным, можно в рамках линеаризованных динамических моделей

л:

(3)

кг

осуществить в достаточной мере корректный переход к упрощенной модели. В ограниченном частотном диапазоне исходная глобальная модель технологической системы может быть сколь угодно близко отображена упрощенной динамической моделью при соответствующей идентичности АФЧХ. Указанное базируется на представлении о близости частот автоколебаний, характерных для нелинейной модели ТСМО, ее собственным частотам линеаризованной модели вследствие слабой днссипативности. Если ограничиться приближенным построением границ области устойчивости в пространстве параметров системы на основе линоари-зованной модели, то упрощенная модель, построенная на осново указанного принципа, окажется вполне корректной при решении оптимизационных задач.

В связи с изложенным возникла задача разработки эффективного метода оценки моры близости исходной и аппроксимирующей систем. Основой для сопоставления полной и ограниченной моделей является матричная перодаточная функция

I 1

Ф(§) = 4/(з)-1 X СКЪьп-1-\ (4)

1 = 0

где ¥ - полином вида

йо, «¡1, ..., йп.1 - коэффициенты полинома; .. , Р1п-1 - (п х п)-

матрицы коэффициентов; з - оператор дифференцирования; п = 2т+1. Коэффициенты ф и матрицы коэффициентов вычисляются на основе цепного алгоритма

01=0 -> 4-1= -ер 01 -> 1;

02=01*1 -> 4?= -1/2 ср О; -> ^=03+^: I;

~ ^йййз ^1= -1/(п-1) Ёр Оа-1 ^ 1;

О, =0ГЕ-1 ¿3= -1/п вр Оа -> йа , где зр Э - след матрицы О.

Поиск аппроксимирующих систем осуществлен на базе обоснованной меры близости с иерархическим усложнением структуры упрощенной модели. Она представляет собой скалярную метрику р(Ф,Фу) близости передаточных функций полной Ф и упрощенной Фт моделей

р(Ф, Фу ) = Р(&>)[8рЦ<у)Ьт(&>) + 8рН(^)Нт (¿у)] , (ч где Р(а>) - весовая, функция; Цоо), Н(оо) • матрицы с элементами

Ф1)| ч^^^С0®) - элементы матриц АЧХ и ФЧХ ис

ходной и упрощенной моделей; оц, щ - весовые коэффициенты. Модели считаются эквивалентными при выполнении условия

р(ф,ф®)££ , (6

где с > 0 - малая наперед заданная величина допустимой ошибки.

Совокупность последовательно усложняющихся просты: моделей формируется на основе классификационных признаков структуры системы и динамической структуры (число инерционны: элементов и степеней свободы, вид доминирующих деформаций I упругие характеристики, вид диссипации энергии.

Рис.2. АЧХ моделей ТСМО при фрезеровании лопатки 27 ступени ЦНД турбины К-300-240.

В качестве иллюстрации представляются результаты формирования моделей взаимодействия заготовки и режущего инструмента при обработке профиля рабочей части тур-

N

0 500 1000 ^ Гц бинной лопатки концевой фре-

зой с тороидальной режущей частью. Дискретные кокечноэлемент ныв модели подсистем заготовки и инструмента имели порядо: соответственно 138 (23 элемента) и 50 (10 элементов). Дл: адекватного описания данной многомерной модели принята сово купность простых моделей малой размерности с числом обобщен ных координат от одной до четырех. Частотные характеристики ис ходной модели (кривая 1) и упрощенных моделей одноконтурно! (2), двухконтурной изгибной (3) и двухконтурной изгибно-кру тильной (4) представлены на рис.2. Оценка близости указанны: характеристик проводилась с использованием метрики (5). Экс перименты показали,. что в ограниченном частотном диапазон« 0...1000 Гц исходная многомерная модель может быть эквивалентж

аппроксимирована моделью 4 с отклонением по метрике (5) менеэ 4%. Правильность данного выбора подтверждается результатами выполненных многочисленных исследований.

При исследовании технологических систем механической обработки реализована задача построения функций чувствительности модели к малому изменению варьируемых параметров по смещению границы области устойчивости, которое оценивается по характерным точкам, например, по экстремальной точке, определяющей минимальное значенио скорости резания (точки на прямой А, рис. 3). Функция чувствительности аппроксимируется цолой рациональной функцией в виде полинома второй степени. В качестве примера рассмотрено построение функции чувствительности модели к изменению такого важного параметра, как коэффициент трения р. между порэдной поверхностью инстру-

Рис.З. Границы областей устойчи- Рис.4. Функции чувств мтоль-вости при различных коэффициен- ности при варьировании котах трения: 1 - 0,7; 2 - р.= 0,6; эффициента трения: 1 - IIд; 3-ц=0,5; 4-^=0,4; 5-^=0. 2-ис;3-иЕ мента и стружкой. Она прэдетазляэт собой изменение ширины среза при варьировании д=0,3...0,7. Для кривых 1-5 на рис.3 это будет функция вида

и= 2 а^1"1 ; 1а|Ье; |е|>0 , (7)

1=1

где - коэффициенты полинома, определяемые на основе метода наименьших квадратов; 5 - порядок полинома (з £ 3).

О)

Так как граница области устойчивости выше и ниже точки Va проходит по-разному, то функция чувствительности должна быть дополнена оценками для скоростей VesVa (1-k) и Vg=Va(1+K) (точки на прямых Е и G на рис.3), где коэффициент к выбирается в интервале к=0,3...0,6. На всем интервале варьирования выполнена совместная интегральная оценка чувствительности, записанная в виде функционала, представляющего собой равномерную метрику. Графики полученных функций чувствительности представлены на рис.4. Они свидетельствуют о высокой значимости варьируемого параметра.

В результате проведенных исследований разработан эффективный метод построения областей устойчивости процесса резания в расширенном вариативном пространство параметров технологической системы с целью обоснования предельно допустимых режимов резания. Рассмотрены вопросы формирования комплексного критерия динамического качества (включая степень устойчивости) при обработке маложестких сложнопрофильных изделий, на основе которого осуществляется выбор эффективных режимов обработки. Разработанный алгоритм построения и анализа функций чувствительности динамической модели технологической системы по смещению границ области устойчивости в пространстве варьируемых параметров позволяет проводить исследование на основе детерминированной модели ТСМО, некоторые параметры которой заданы приближенно или оценены статистически, что даот возможность отказаться от необходимости построения чрезвычайно сложных стохастических моделей. Проведенное на базе разработанного алгоритма исследование показало сравнительно высокую чувствительность положения границы области устойчивости в пространстве параметров по характеристикам трения в зоне резания. Указанное свидетельствует о существенно ограниченной возможности использования упрощенного описания процесса контактного взаимодействия элементов ТСМО и необходимости использования уточненных моделей на основе динамической характеристики трения.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНТАКТНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ МАЛОЖЕСТКИХ ЗАГОТОВОК

Важным вопросом при построении динамических моделей ТСМО является математическое описание взаимодействия подсистем в

процессе резания, т.е. представление оператора, отображающего динамическую характеристику процессов резания и трения. Поскольку существуют различны© подходы в описания этих процессов с использованием динамических и каазистатических представлений, то и получаемые модели технологической системы могут отличаться существенным образом. То или иное описание, которое может рассматриваться как аппроксимация исследуемых процессов, обычно опирается на результаты представительного эксперимента, позволяющего идентифицировать соотвотствующиа параметры (величину запаздывания силы рззания по отношению к перемещению инструмента, силы трония по отношению к силе резания, постоянные времени аппроксимирующих звеньов и пр.). Полученные на их основе динамические характеристики при малых возмущениях оказываются достаточно близко совпадающими (при соответствующем приведении). Указанное относится, прецде всего, к определению положения границы области устойчивости и уровню амплитуд вынужденных колебаний в этой области. Однако, попытки экстраполяции результатов исследований на достаточно широкие диапазоны изменения отмоченных параметров обычно оказываются несостоятельными. Речь идот, процдо всего, об описании поведения автоколебательной (следовательно, принципиально нелинейной) технологической системы за границей области устойчивости, найденной на осново линеаризованной модели. Здесь различные модели приводят, как правило, к весьма отличающимся результатам в оценке смлигуд и частот колебаний, чувствительности процессов к параметрически?,! изменениям и пр. Для повышения достоверности расчетов при моделировании необходимо дифференцированно:) описание процессов трения с отказом от квазистатического прэдетаалония.

Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные Б.В.Дерягиным, Т.Н.Лоладзо, Е.М.Мекушком, А.П.Семеноэым, В.Э.Хитриком, В.А.Шмаковым и др., показали, что между контактирующими поверхностями инструмент-заготовка в процесса струж-кообразования происходит местная адгезия - возникают пятна схватывания. Указанное было исследовано применительно к процессу резания в рамках нелинейной модели. При обработке резанием имеют место два режима взаимодействия инструмента и стружки: скольжение и схватывание (адгезия).

Исследование фаз скольжения и схватывания осуществлено на основ© различных подходов. Взаимодействие режущего ннстру-

м

мента и заготовки в фазе скольжения рассматривается как взаимодействие твердых тел. При этом тангенциальная сила формируется на основе макропредставления как величина, пропорциональная нормальной составляющей силы резания. В фазе схватывания между подсистемами вводится элемент сплошной среды - стружка, который определяет условия взаимодействия между режущим инструментом и заготовкой. При этом контактное взаимодействие между стружкой и поверхностью режущего инструмента формируется на основе миропредставления и определяется несущей способностью контакта 8н- Под несущей способностью контакта понимается максимальное значение силы, обеспечивающей переход из фазы схватывания в фазу скольжения. Переход из одной фазы в другую формируется самой динамической системой путем последовательных фазовых переходов. Условия осуществления фазовых переходов определяются кинематическими и силовыми характеристиками взаимодействия подсистем. Рассмотрена наиболее представительная модель ТСМО малой размерности, полученная в ограниченном частотном диапазоне при аппроксимации полной динамической модели ТСМО. Данной модели соответствуют четыре обобщенных координаты, причем она включает две подсистемы - подсистему заготовки с координатами 41, Чг и подсистему инструмента с координатами Яз, 44 (рис.5). Взаимодействие между подсистемами осуществляется в процессе резания и отображается двумя упруго-диссипативными элементами в касательном и нормальном направлениях с параметрами ст, Ьт и сп, Ьп.

Система дифференциальных уравнений состояния рассматриваемой модели является нелинейной вследствие нелинейности

Вид!

Рис. 5. Четырехконтурная динамическая модель ТСМО.

:аракгеристик взаимодействия подсистем, так как исследуемый ¡роцесс представляет собой совокупность фаз скольжения и ¡хватывания. В фазе скольжения поведение модели описывается (а основе традиционного подхода, например, с использованием юстоянных запаздывания. При рассмотрении фазы схватывания Ц1Я получения упруго-диссипативных характеристик необходимо 1ыбрать вид реологической модели в зоне стружкообразования. 1ля этой цели применен экспресс-метод, основанный на анализе гроцесса внедрения алмазного индентора в поверхностный слой материала и реализованный в ИВК Твердость". Данный метод юзволяет получить диаграммы состояния поверхностного слоя -¡ременную и силовую (рис.6,а,б).

Участок АВ диаграмм опредоляет кратковременную пол-|учесть

'ис.6. Диафаммы внедрения индентора в поверхностный слой мдолия: а - временная; о - силовая (OA - внедрение индентора P=0...PmBXj; АВ - выстой под нафузкой [P3Pmsd; BCD -упруго-тластическоэ восстаноапекио [Р^Рпи—0] )• .штериала имеет протяженность во времени t=1...30 с и позволяет юлучить коэффициент диссипации поверхностного слоя исследуемого материала. Расчетно-зкспориментальные исследования гоказали применимость для конструкционных материалов доста-гочно простых роологаческих моделей Фойхта и Максвелла, для соторых деформации определяются соответственно по формулам

¿г = (<ro / Е)[1 - ехр(-Е/b)t]; е - е^ + (tr /b)t , (9)

•де сто=(Нв-Ьо)ЕС/Ьв - средние напряжения в слое глубиной Ьв; Е=Ж/д/со - модуль уЛругости в слое; НУд - твердость по Виккерсу в ;лое; во - средняя деформация в слое; Ь - коэффициент дисси-

а

б

пации; а • внутренние напряжения в слое; С - коэффициент формы индентора.

Коэффициент диссипации b определяется методом последовательных приближений на основе (9), как наилучшим образом соответствующий аппроксимации участка АВ временной диаграммы. Данный метод является предварительным, так как реализуется при квазистатическом нагр ужении. Для получения упруго-диссипативных характеристик деформируемой в процессе струж-кообразования зоны при принятой реологической модели была поставлена и решена плоская термоупругопластическая задача МКЭ в нелинейной постановке при динамическом нагр ужении с применением интегрированной системы COSMOS/M. В качестве

Рис.7. Зависимость упруго-диссипатианых характеристик материалов от модуля упругости и предела текучести: а - Ст,; б - Ьт,.

начального приближения используются результаты рассмотренного выше экспресс-метода. В результате цифрового имитационного моделирования при широком варьировании упруго-пластических свойств исследуемых материалов были получены коэффициенты Ст, Ьт, сп> Ьп (рис.7). Поверхность отклика для коэффициента диссипации (рис.7,6) является дополнительным обоснованием корректности принятой реологической модели. При наличии больших осцилляций на отдельных участках данной поверхности необходимо осуществлять переход к другой реологической модели на данных участках (показаны зачерненными участками

поверхостей). Результаты натурного и имитационного моделирования дают возможность получить необходимые исходные данные для идентификации параметров динамической модели контактного взаимодействия в фазе схватывания.

Описание силового взаимодействия в каждой из указанных фаз осуществлено линеаризованными уравнениями, что дает возможность применить метод аппроксимации нелинейных характеристик кусочно-линейными функциями, разработанный В.Л.Вейцем и A.M. Мартыненко. В соответствии с данным методом, модифицированным для условий рассматриваемой задачи, система уравнений движения модели ТСМО записана в виде системы дифференциальных уравнений с кусочно-постоянными коэффициентами. Вектор переменных состояния Y имоот следующие компоненты

y2=V h=y y4=V y5=q3; Уб=%>

h^V y9=Pz' Ую=Рх' У12 = 2с>

где qi, q2, qs, Чь - обобщенные координаты модели; Xc, zc - кон-таетныо деформации в зоне резания по осям х и т, Рх, Pz - составляющие силы резания по тем же осям.

Фазовые переходы формируют функцию переключения Sg(u), принимающую значения 0 или 1 в зависимости от условий

(10)

Sg(U>:

0 при u > V

(11)

1 пра U < У^

где и = Ук - критическая скорость, при которой начинают

активно формироваться адгезионные связи.

Функция переключения Эд(и) в (11) принимает значение 0 в фазе скольжения и 1 в фаза схватывания. В табл.1 представлены выражения для функции Зд(и) в соответствующих режимах контактного взаимодействия.

Молекулярно-механические процессы, протекающие при взаимодействии режущего инструмента и заготовки могут быть описаны следующей системой дифференциальных уравнений

у = Бу + ад , (12)

Таблица 1

Значения функции 5д(и) в режимах контактного взаимодействия

N и Ую Режим

1 >Ук 0 Скольжение

2 <Л//сЙ< 0 >8Н 0 Скольжение (переходной режим)

3 = Ук, <1У/сК:< 0 <8Н 1 Переход

4 <Ук <8Н 1 Схватывание

5 >3Н 1 Схватывание(переходной режим)

6 сГ//Л > 0 <Бн 1 Схватывание (переходной режим)

7 (М/йЬ > 0 >ЭН 0 Переход

где О -(12х12)-матрица коэффициентов со следующими отличными от нуля элементами: «Цгвйз^^б»^^, Й2,юе-^2,1я1/ТЧ122, «каР^к^И/Т,»2, йв.5а«1в>1оа-1/ТЧ522, ^^с^-йс.т3!^^2, 1ЛГР, б «,10= -Ч/Т«,, ¿«.цв-СтУЬт, «112,12е -Сп/Ьп, «12,2« -ТЧЦ/ТЧ122,

-с1с15=кхГГр, Й5>2=-с1е1б={12/Тр; 5(у) - (12х1)-вектор-функция кусочно-линейного типа со следующими отличными от нуля компонентами:

82=сЛЧ122(У11-У**Ув)80(и), 8свсЛч822(У11-У^У9)Зд(и),

5е=3СпП"ч422(у11-у1+у5}58{и), 84вСп/ТЧ222(Уи-У1+У5)80(и), £11«

хтЬ5к£/Ьг8д(и), с12«г„Ь5кс/(Ьп}й) 8д(и); Т„ц, Т,«, Тч21, Тч22, Тчз1, Тдзг, Т(}41, То42 - постоянные времени; Тр, Тч - постоянные запаздывания; Ьх, - коэффициенты обратной связи; тт - предел текучести материала заготовки; кс - коэффициент приведения к зоне схватывания; р« - коэффициент пропорциональности при молекулярном взаимодействии.

Для решения системы уравнений (12), а также исходной нелинейной системы уравнений с запаздываниями (имеющей пять не-линейностей в виде произведений), реализована модификация метода аппроксимации кусочно-линейными и полиномиальными функциями.

аа

В общей постановке элементы матрицы О и вектор-функции 3(у) (12) являются кусочно-постоянными. Решение системы диф-»ерекциальных уравнений (12) на |'-м шаге, линеаризованной установкой в О и Э(у) решения на (И)-м шаге строится с эмощью итеративного алгоритма

уП] = В(у[1-1])уГ1]+8(у[1-1]) . (13)

В качестве исходного решения у|0] выбирается решение истомы уравнений (3). Последовательность вектор-функций у[1], 1,2,... сходится при 1 —> со к решению у(1) системы (12). Общее зшение системы даффэронциальных уравнений (12) может быть эодставлено в в идо

У(0 = 2 У(0М, (14)

к =0

у(Ом

у(1)м при 1е[1к,(к + 1) ; О при 1фк,1к + 1),

(15)

- решение системы (12) на к-м временном интервале с зчальнымн условиями

гМ = уВс-1]^ ^ . д(уМ) = АРб-11 ; В(уМ) = ВРь-ц.(16)

Длина временного интервала на полусегменте оп-

эделяотся функцией переключения (11), которая автоматически тслеживается в процессе решения. Полученное решение системы иффоранциальных уравнений состояния ТСМО позволяет проделить все искомые динамические характеристики как в об-асти устойчивости, так и в области автоколебаний (включая ом-питуду и частоту колебаний).

На основе данного метода разработан программный комплекс, эзволяющий получить необходимые решения рассмотренных ыше систем дифференциальных уравнений состояния ТСМО с спользованием современных ПЭВМ. Программирование выпол-вно по модульному принципу, допускающему включения новых

е

аз

модулей при модификации пакета программ. Комплекс включает следующие базовые программные модули: монитор, база данных, решение системы дифференциальных уравнений, графический модуль, вариации параметров системы дифференциальных уравнений. Время, необходимое для решения системы дифференциальных уравнений (12) для модели согласно рис.5, составляет приблизительно одну секунду для ПК АТ-486, что является вполне допустимым при выполнении многовариантных расчетов ТСМО. Комплекс является технологичным инструментальным средством, имеет большие диалоговые возможности. Он позволяет эффективно решать системы нелинейных дифференциальных уравнений как применительно к рассматриваемым задачам динамики ТСМО, так и другим задачам, например, к задачам динамики приводов металлорежущих станков с нелинейными звеньями (зазорами в передачах, нелинейными муфтами и пр.). На базе программного комплекса проведен большой объем вычислений.

Полученные на основе исследования нелинейной динамической модели контактного взаимодействия в ТСМО результаты позволяют оценить область допустимой линеаризации исходных моделей, а также область допустимого управления режимами резания в технологической системе с использованием положений теории технической устойчивости. Сравнительный анализ результатов, полученных с использованием нелинейной модели и принятых в настоящее время линеаризованных моделей показал в ряд© случаев значительное смещение границ области устойчивости. Тем самым выявлены зоны с определенным запасом устойчивости технологической системы в допустимых пределах при использовании в расчетах линеаризованных моделей.

4. ОПТИМИЗАЦИОННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ

СТАБИЛЬНОСТИ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКЕ МАЛОЖЕСТКИХ ЗАГОТОВОК

При оптимизационном проектировании механической обработки маложестких заготовок важным является решение задач динамического синтеза ТСМО, которые в общей постановке могут быть представлены как задачи определения структуры подсистем м их параметров при известных характеристиках и требуемы» свойствах динамического отклика. Формирование динамически» критериев качества (целевых функций) является важнейшим

этапом постановки задачи динамического синтеза ТС МО в пространстве параметров. К числу основных отнесены критерии: запас устойчивости и частотная отстройка.

Критерий эффективности А(Р) по запасу устойчивости формируется на основе принципа чебышевской равномерной оптимизации и определяется выражением

А (Р) = тах[г КеЛ 1 , (17)

СО 3 3

где л - компоненты вектора приоритетов Г, которые принимаются при отсутствий соображений относительно важности компонент одинаковыми (п=у; ]~1,...,т) или принимаются в виде ур где Г^сЯр - максимально допустимая по запасу

устойчивости величина действительной части ]-й пары комплексно-сопряженных собственных значений модели; у| - корни характеристического уравнения системы; Р - г-мерный вектор варьируемых параметров, причем РеОр; Ор - допустимая область в пространстве варьируемых параметров.

Целевая функция, на основе которой осуществляется сравнение вариантов решения задачи частотной отстройки при наличии в скоростном диапазоне [Оа„ Ов„] базовой модели (с исходными параметрами) нескольких резонансных режимов, можот быть принята в виде обобщенного скалярного критерия эффективности следующего содоржания

Л2<р>= £ ^ <ЬУ)

п -о(г)

5 V

(18)

где О« - средняя угловая скорость исполнительного устройства главного привода станка на (8,у)-м резонансном режиме, порождаемом 5-й собственной формой динамической модоли ТСМО и у-й гармоники возмущающего момента (со стороны фрезы - при фрезеровании, вращающейся заготовки некрутого регулярного профиля - при точении и пр.); £2(г)™ - ближайшая к О,» граница скоростного диапазона [С^ , р», - относительная важность скоростного резонансного режима на £2,,.

В условиях ограниченных возможностей варьирования параметрами ТСМО необходимо решать задачу управления с цолью

обеспечения максимальной производительности (минимума затрат машинного времени) при жестких ограничениях по требованиям динамического качества. Для решения этой задачи рассмотрен обобщенный векторный критерий качества, который представляет собой совокупность двух обобщенных компонентов:

♦ размерный критерий, который связан с производительностью обработки и с макропроцессами в среде обработки;

♦ вектор состояния поверхностного слоя, который связан с микропроцессами, локализованными в тонком поверхностном слое.

Решение задачи обеспечения стабильности качества поверхностного слоя изделий в ТСМО возможно только в совместном рассмотрении с критериями (17), (18) в рамках выполнения оптимизационных процедур на основе известных принципов оптимальности. При постановке задачи механической обработки устанавливаются ограничения по отдельным характеристикам (показателями) качества. Характеристики и их граничные значения выбираются на основе компромисса. При нормировании состояния поверхностного слоя изделия, как правило, устанавливают ограничения (кроме размерной точности изделия) по макро- и микрогеометрии, твердости, уровню и знаку технологических остаточных напряжений.

Задача обеспечения размерной точности изделия применительно к рассматриваемой модели технологической системы может быть решена на основе системы уравнений (3). Отклонение по нормали к формообразующей точке заготовки ограничивает производительность обработки при обеспечении размерной точное™. Оно минимизируется до заданного допустимого значения на основе оптимизационных процедур. Здесь критериями эффективности являются: статический (отклонение вектора деформации от допустимых значений) и динамические (критерии запаса устойчивости и частотной отстройки).

При оптимизационном проектировании критерием оптимальности по обеспечению размерной точности и микрогеометрии поверхности является скалярный критерий эффективности А(Р), записанный в форме принципа чебышевской равномерной оптимизации

А (Р) = юахА.(Р); ЫДЗ, (19)

СО 1

e At - амплитуда относительных колебаний режущего инстру-1нта и заготовки; А2 - деформация в формообразующей точке готовки под действием силы резания; Аз - высота гребешков на верхности изделия от формообразующих элементов инструмен-, которая определяется экспериментально или синтезируется на ново имитационного моделирования совместно с Ai. Определение уровня технологических остаточных напряжений в ггапле поверхностного слоя изделия осуществляется при помощи ответствующей контрольно-измерительной аппаратуры. При этом роится эпюра напряжений и нормируются следующие основные параметры: поверхностные напряжения ап; глубина ho, на торой происходит изменение знака напряжений; максимальные дповерхностные напряжения апп- Каждый из указанных параме-ов имеет номинальное значение и поло допуска. Поэтому лустимыми по технологическим остаточным напряжениям можно итать режимы в пространстве варьируемых параметров, для торых одновременно выполняются условия

On е [оП1, o„sJ; ho е [hoi, hod; Опп е [a„ni, аПпзЬ (20) 0 оП1, оП2» hoi , ho2, опт, <Упп2 - минимальные и максимальные пустимые значения соответственно поверхностных напряжений, убины перехода знака, максимальных подповерхностных пряжений.

Выполнение ограничений (20) в пространстве варьируемых раметров формирует область допустимых режимов по техноло-чесдом остаточным напряжениям, ограниченную кривыми 2 и 3 на с.8. Кривая 1 определяет границу равного качества по критерию 1крогеометрии и размерной точности, кривая 4 - ограничение по ойкости режущего инструмента. Выбор условий ограничения ределяется техническими требованиями, связанными с еспечением работоспособности изделия, и возможностями осу->ствлятъ контроль с построением эпюры напряжений. Область пустимых реотшов может быть синтезирована на осно-рошения нелинейной задачи термоупругопластичности в ко-чнозлементной постановке с использованием системы )SMOS/M. В процессе моделирования в металле поверхностно-слоя формиру ются технологические остаточные напряжения - как функции варьируемых параметров обработки и динами-ских характеристик ТСМО

2Л

Ш Рис.8. Область допустимых режимов при фрезеровании лопатки 29 ступени ЦНД турбины К-300-240

от=от(РоАТ1Г>|р11..,Рт), (21) где Р0-среднее значение силы резания; А, Т- амплитуда и период изменения силы резания; Р - температура в зоне ре-0 2 4 Ь, мм зания; Р1,.., рт - компоненты

вектора параметров.

Моделирование напряженно-деформированного состояния металла поверхностного слоя изделия на основе исследования упруго-пластических характеристик в пространстве варьируемых параметров с использованием экспресс-метода оценю) и специальных программно-аппаратных средств дополнительно к условиям (20) определяют ограничения по твердости, упругости, ползучести и пластичности.

Для решения задачи обеспечения стабильности качества предложен обобщенный векторный критерий качества, представляющий собой совокупность критериев размерной точности и состояния поверхностного слоя. Скаляризация этого критерия позволила обосновать целевую функцию при оптимизационном проектировании ТСМО в пространстве варьируемых параметров, определяющих качество поверхностного слоя изделия. Для комплексного количественного сравнения состояния поверхностного слоя изделий разработана функциональная модель состояния поверхностного слоя. На ее основе разработаны эталонные характеристики, а также меры для оценки близости к ним реальных характеристик состояния поверхностного слоя изделий.

При решении задач оптимизационного проектирования разработан алгоритм программной модификации (рис.9), который является основой повышения эффективности механической обработки маложестких заготовок на станках с ЦПУ при обеспечении стабиль ности качества обрабатываемых уникальных изделий на базе рассмотренного выше критериального подхода.

м^мин ^^-з 1 /

?' /

г

Рис.9. Алгоритм решения задачи оптимизационного проектирования механической обработки маложестких заготовок

МОДИФИКАЦИЯ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ ОПТИМИЗАЦИОННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Объект оптимизации

\ Полная модель

[з"| j Офаничен. модель

Частотные хар-ки

Управляемые параметры

Частота вращ. УАР

Подача УАР

Глубина раз. УАР

.^-базирован. УАЯ

I

Частотные хар-кн —|Г]

1

I Стенок 1риспособл. | | ИнструментН

Заготовка{

Углы Выпет Материал ^-баланс ^-деформ VAR VAR 3SKR DSKR DSKR Синтез парам офаниченной модели

1

Адекв.модель малой размр.

1

Ji-базир. ^-баланс Jэ-дeфopм DSKR DSKR DSKR f

Вариантное пространство

4

Офаничения (-

1 Параметры

Функции отклика 1

Микрогеометрия

Упрочнение

Ост.напряжения

Частота вращ Подача ¡Глубина рез,...

{Размерн. точность |—- Допуски -|1Г] Состояние пов. слоя

Критерии Эффективное™

-[Динамика Качество

Степень устойчивости ^4) Частотная отстройка (Ц5)

Стабильность технологии

МАХ производительности в простр. допустим, значений

[7J- Модификация ТСМО - 6

Комплексные критерии:

Интефальный

Дифференциальный

£

Оптимизационное проектирование

11

-<визмвняем.хвр-ки НСУБД [Размерн.точность

Информационное обеспечение

Формиров. модел! малой размерност

Вектор деформ.

Состояние пов. слоя

Иикрогеометрия |Упруго-пласт. хар-кй

Макроотклонения Волнистость Шероховатость Поверхн. хар-ки

Ост. напряжения

Оценка чувствител модели с выделен. доминирующ.(ДП)и малозначимых (МП) параметров

Эпюра напряжений Интефал напряжений

Расчет огттимальн режимов

Диафаммы состояния

Упругость

Ползучесть

Пластичность

УагМП

10 -(Режим в Обл. 1) ва (Обл.2)

[8ЦУагДП

Построен-областе* допустим.значэний по критер. динамики (Обл.1)и качест-

(Режим в Обл.1)-[Г

10}-(Режим в Обл.2

5. РЕАЛИЗАЦИЯ ЗАДАЧ ДИНАМИКИ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ МАЛОЖЕСТКИХ ЗАГОТОВОК

Для оценки достоверности теоретических разработок и резуль татов имитационного моделирования был проведен комплекс экс периметальных исследований динамических характеристик и сос тояния поверхностного слоя маложестких заготовок. Для провв дения исследований был разработан профаммно-аппаратный ком плекс в составе ИВК "Динамика", "Профиль", Твердость".

ИВК "Динамика" предназначен для экспериментального ис следования разработанных динамических моделей контактногс взаимодействия при различных видах механической обработки. О* представляет собой автоматизированный измерительно вычислительный комплекс, включающий следующие элементы: металлорежущий станок, стенды для натурного динамического

моделирования четырех видов с тарированными упругими и инерционными элементами, первичные преобразователи (пьезо- и тензометрические), усилители, устройства согласования, плата ЦАП-АЦП многоканальная двенадцатиразрядная, персональный компьютер IBM, пакет прикладных программ.

ИВК "Профиль" предназначен для измерения параметрических характеристик микрогеометрии профиля поверхности в стандарте любой страны (26 параметров), в том числе России (Ra, Rz, Rq, Rm, S, Sm, tp и др.), а также непараметрической оценки (плотности и функции распределения ординат и тангенсов углов наклона профиля) и фильтрации профиля с возможностью инвариантного сравнения михрогоомотрии различных поверхностей, их сертификации с выделением волнистости и шероховатости. Предусмотрена возможность исключения погрешности установки образцов, кривизны измеряемой поверхности, шумов и наводок электрических сигналов. ИВК "Профиль" включает стандартный прибор измерения шероховатости типа КАЛИБР 201, 250, 252, 233 или любой другой модификации; интерфейс связи прибора с IBM-совместимым компьютером; пакзт прикладных программ.

ИВК "Твердость" предназначен для определения твердости непосредственно под нагрузкой. Диапазон измеряемых твердостей от 1 HV до 8000 HV. ИВК снабжен механизмом нагружения, диапазон: 0.05...10.0 Н. В качество индентора может быть использован любой тип алмазных наконечников (четырехгранный, трехгранный, ромбический, биципиндрический). ИВК оснащен устройством, позволяющим правильно ориентировать испытуемый образец для нанесения прицельного отпечатка. Он имеет в своем составе: электронно-механический блок, микропроцессорный контроллер, связанный с ПЗВМ и пакет прикладных прогемм. ПЭВМ управляет процессом нагружения (разгрузки). Закон нагружения (время, скорость, цикл) задается оператором перед началом испытания. Преимущества ИВК "Твердость" по сравнению с серийными измерителями состоит в возможности получения ряда параметров, характеризующих физико-механические свойства исследуемого материала: релакскция, ползучесть, упругое восстановление, внутренние напряжения в слое, микротвердость HV, получение временной и силовой диаграмм вдавливания с определением микротвердости по глубине поверхностного слоя, сокращение времени обработки данных одного измерения, возможность архивирования и сопровождения

результатов многократных измерений. ИВК позволяет исследовать тонкие, в том числе многослойные покрытия, оценивать их качество и напряженно-деформированное состояние.

На базе разработанных оригинальных программных комплексов и программно-аппаратных средств выполнен значительный объем сопоставительных расчетно-зкспериментальных исследований с целью обоснования исходных предположений, созданных методов, алгоритмов и методик. На рис.10 представлены результаты расчетов (а) и одна из экспериментально полученных осциллограмм виброперемещений при точении, иллюстрирующие удовлетворительное качественное соответствие процессов. Что касается количественных оценок, то в зависимости от характеристик (уровня амплитуд и частот автоколебаний, положения границы области устойчивости и пр.) относительные погрешности составляли 7...18 %. Результаты сопоставления расчетных и экспериментальных данных позволили обосновать применимость молекулярно-механического представления в описании динамической характеристики трения при резании в рамках моделей кусочно-линейного типа. Тестирование разработанного программного обеспечения для решения систем кусочно-линейных дифференциальных уравнений при исследовании контактных взаимодействий в процессе резания показало их высокую эффективность и быстродействие при поиске периодических решений, определении уровня амплитуд колебаний, а также границ областей устойчивости с использованием линеаризованных моделей.

Результаты экспериментальных исследований статической жесткости различных маложестких сложнопрофильных заготовок и режущих инструментов в сравнении с расчетными данными, полученными с использованием дискретных моделей на базе конечно-элементного интегрированного комплекса KOSMOS/M, показали их высокую результативность и универсальность при моделировании элементов технологической системы. Максимальная относительная погрешность составила 14 %.

При исследовании состояния поверхностного слоя обрабатываемых маложестких заготовок с использованием перечисленных и других ИВК были получены скоррелированные с динамическими характеристиками параметры и функции, которые показали высокий уровень значимости динамических характеристик при механической обработке маложестких заготовок и их влияние на состояние поверхностного слоя обработанных изделий. Обработка

f

иш

I I мл У У

ЦУу цщ

шля

г, «с в 1ва

а 6

с. 10. Расчетная (а) и экспериментальная (6) осциллограммы 5ропервмвщений при обработке точением (\Л=20 м/мин; инст-лвнт - Р6М5; заготовка - 20X13).

периментальных данных проводилась по методу малой выборки шределением средних значений, дисперсий, доверительных ин-»валов и других статистических характеристик, что позволило пучатъ результаты экспериментов с доверительной вероятностью 5.

Отдельные характеристики качества, такие как микрогеометрия эаботанной поверхности, величина и характер распространения гнологичоских остаточных напряжений были синтезированы так-на основе специальных алгоритмов в результате имитационного делирования. На конкретных примерах были такжо оттос-юаены оригинальные алгоритмы по опродолэнию площадей эрных поверхностей, удельных контактных жесткостей, рас-эделения технологических остаточных напряжений, выбора рео-гической модели контактного взаимодействия, определения уп-■опластических характеристик материалов, комплексной функ-энальной модели состояния поверхностного слоя изделия и др. в роком вариативном пространстве параметров качества для энки стабильности ТСМО.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Выполненное исследование позволило выделить актуальную многоплановую проблему мохеничаской обработки маложестких "отовок деталей ответственного назначения, к которым предъяв-ются высокие требования относительно комплекса критериев дества при условии минимизации затрат машинного времени. В

результате выполненного анализа определен представительный класс маложестких заготовок с соответствующим отображением их деформативных свойств и специфических особенностей в динамических моделях ТСМО. Решение указанной проблемы осуществлено путем разработки теории и методов эффективной реализации результатов оптимизационного проектирования механической обработки на современных металлорежущих станках.

2. Предложена совокупность показателей, определяющих динамическое состояние технологической системы и позволяющих выполнить необходимую количественную оценку основных статических и динамических свойств технологической системы с учетом возможной модификации характеристик заготовки. Указанное является методологической основой для выполняемого комплексного исследования технологических систем механической обработки маложестких заготовок и отображает

♦ влияние параметров заготовки на характеристики технологической системы;

♦ особенности формирования структуры и параметров технологической системы;

♦ возможности варьирования параметров технологической системы с целью выполнения требований динамического качества;

♦ возможность локальной оптимизации структуры технологической системы.

3. На основе системного подхода осуществлено построение адекватной динамической модели технологической системы путем уточненного анализа подсистем с распределенными параметрами с закономерностей процесса резания при динамическом взаимодействии этих подсистем. Предложены основные клвссифи' кационные признаки моделей подсистем применительно к различ ным видам механической обработки, что позволило с максимальнс доступной полнотой на основе обобщенных подходов отобразил свойства маложесткой заготовки в балансе динамических свойств ТСМО.

4. Разработан научно обоснованный метод построения не иерархическом принципе совокупности линеаризованных дина мических моделей и их упрощенных аналогов в ограниченно* частотном диапазоне, использованных при решении как задач ана лиза, так и частных задач оптимизации механической обработка

маложвстких заготовок относительно предложенного комплексного критерия. Разработан и обоснован критерий близости исходной многомерной и упрощенных моделей малой размерности в линеаризованной постановке задачи. Данный подход позволил при формировании модели малой размерности сохранить доминирующие свойства исходной модели, тем самым обеспечить между ними максимальное динамическое соответствие.

5. Поиск аппроксимирующих последовательно уточняющихся моделей малой размерности осуществлен на базе индуктивного подхода. Предложена система модолей ТСМО, построенная на иерархической осново от простейшей двухконтурной до составной пятиконтурной, охватывающая при динамическом моделировании широкий класс ТСМО.

6. Выполненный комплекс исследований контактных взаимодействий при обработке резанием маложвстких заготовок показал, что традиционный подход с использованном квазистатической характеристики трения исключает возможность дифференцированного учета упруго-пластнчаских свойств в динамике взаимодействия, являющихся важным фактором формирования автоколебательных процессов при резании. В описании динамической характеристики трения развит метод, основанный на мо-лекулярно-механическом представлении о контактном взаимодействии в виде двухфазного процесса, представляющего собой последовательное чередование фаз скольжения и схватывания, продолжительность которых определяется условиями взаимодействия элементов системы.

7. При разработке динамической модели ТСМО с учетом нелинейности характеристики трения предложены эффективные алгоритмы, основанные на использовании современных программно-аппаратных средств, а также эффективные методы получения необходимых исходных данных для выполнения динамических расчетов применительно к контактным взаимодействиям в процессе резания с использованием экспресс-методов количественной оценки и имитационного моделирования. На основе анализа физических процессов в зоне резания выявлены условия фазовых переходов "скольжение - схватывание", определяющие существование основных и скользящих режимов, что позволяет составить таблицу реализуемых режимов в процессе имитационного моделирования на выбранном временном интервале.

8. В результате проведенных исследований поставлены и решены основные задачи динамического синтеза ТСМО в ограниченном вариативном пространстве параметров подсистем при варьировании режимов резания с целью достижения максимальной эффективности механической обработки маложестких заготовок с обеспечением требуемых характеристик качества. При определенных обоснованных ограничениях удалось свести поставленные задачи к совокупности задач линейного программирования, эффективно решаемых с применением современной вычислительной техники для достаточно сложных моделей. В задача) динамического синтеза параметров ТСМО по критерию производительности и точности получены квазиоптимальные решения с последовательно выполняемой пошаговой корректоров кой доминирующих параметров системы и принятием решений не базе экспертных оценок.

9. Показано, что оптимизация параметров ТСМО по критерия устойчивости является одной из наиболее важных и часто ветре чающихся задач проектирования технологических процессов ма ханической обработки маложестких заготовок. Эта задача решаете; как задача параметрической оптимизации с критериями эффектов ности, отражающими степень устойчивости динамической модол* ТСМО в пространстве варьируемых параметров. При наличии ; базовой модели в рабочем скоростном диапазоне резонансны: режимов предложен метод решения задачи частотной отстройки.

10. Разработаны алгоритмы, позволяющие на основе имитаци оного динамического моделирования синтезировать оптимапьнук по условиям эксплуатации изделий микрогеометрию поверхности, I также уровень технологических остаточных напряжений в металл! поверхностного слоя обработанного изделия. При выполнении оп тимизационных процедур предложены и реализованы в рамка: эффективных алгоритмов оценки параметрических и непараме трических характеристик микрогеометрии и состояния поверхност ного слоя изделия, полученные с помощью оригинальных методы и средств измерения.

11. Для осуществления имитационного моделирования пр| экспериментальном исследовании контактных взаимодействий I процессе резания разработан программно-аппаратный комплекс I составе ИВК "Динамика", который является эффективным ди намическим имитатором для широкого класса ТСМО мапожестки заготовок и позволяет проводить программу модельных иссле

ваний без непосредственного привлечения дорогостоящих уни-пьных изделий.

12. Разработанное программное, аппаратное и методическое еспечение ИВК "Профиль и "Твердость" явилось основой для млексного исследования состояния поверхностного слоя ин-рументальных и обрабатываемых материалов до и после »ханической обработки с возможностью достоверного опре-тения необходимых параметрических и непараметрических личественных оценок и качественных характеристик, отобра-«ощих свойства поверхностного слоя изделия. 13. На базе обоснованных динамических моделей и показателей шамического состояния технологической системы механической ¡работки маложестких сложнопрофипьных заготовок и сработанных методов решения предложены простыв алгоритмы фвделения режимов механической обработки, эффективно )апизуомые в производственных условиях и получившие до-аточно широкую апробацию.

14. Основные результаты исследований были внедрены и поучили широкую апробацию в условиях действующего про-»водства на АО "Ленинфадский Металлический завод", АО "Завод 'рбинных лопаток, АО "Звезда", АО "Арсенал", АО "Свердлов", НИИД, ВНИТИ Энергомаш, СП5ГТУ й других организациях и пред-зиятиях северо-западного региона РФ.

Содержание диссертации опубликовано в 110 работах, основами из которых являются:

1. Динамика технологической системы при обработке мало-естких заготовок.- Иркутск Изд-во Иркут. ун-та.- 1994.- 98 с. 1оавт. Вейц В.Л., Лонцих П.А.)

2. Динамика технологической системы механической обра-отки,- СПб: Изд. Инструмент.- 1997.- 230 с. (Соавт. ВейцВ.Л., Шов-shko B.C.)

3. Колебания в приводах металлорежущих станков,- Иркутск зд. Ирк. ун-та.- 1997, 200 с. (Соавт. ВейцВ.Л., Лонцих П.А.)

4. Неразрушающий способ определения деформирующей спо-обности технологических остаточных напряжений.- Патент РФ по вявке N 93029108 (282101). Приоритет 19.05.1993. (Соавт. Валетов ..А., Иванов С.Ю., Кондратов A.C.)

5. Теория и практика обеспечения стабильности и качества мо-анической обработки маложестких заготовок // Машиностроение и

автоматизация производства: Межвуз. сборник. Вып.З.- Спб: СЗПИ. 1996.- С. 54-76.

6. Оптимизация рабочих процессов на основе динамическое моделирования технологической системы II Машиностроение и ав томатизация производства: Межвуз. сборник. Вып.2.- Спб: СЗПИ. 1996. С. 93-103.

7. Формирование реологических свойств поверхностного ело; материалов // Машиностроение и автоматизация производства Межвуз. сборник. Вып.З.- СПб: СЗПИ.-1996.- С. 94-99.

8. Автоматизированная подсистема определения режимов резания // ИЛ N 222-83.- Л.: ЛЦНТИ.- 1983.- 3 с.

9. Адаптация управляющих программ с учетом упругих деформаций обрабатываемой детали применительно к ГПС турбинных лопаток / Опыт обработки и применения ГАП в механической обработке. Л.: ЛДНТП,- 1985.- С. 47-49.

10. Повышение производительности и точности при механической обработке маложестких заготовок на основе адаптации па динамическим характеристикам / Динамика станочных систем гибких автоматизированных производств. IV НТК.- Нижний Новгород ННГУ.- 1992.-С. 19.

11. Концевая фреза//HTflN 1050-86.-Л.: ЛЦНТИ,- 1986,-4с.

12. Повышение производительности и точности фрезерования маложестких заготовок в условиях ГПС / Промышленные роботы и гибкие автоматизированные производства. М.:ВНИТИПРИБОР.-1986.-С.13-14.

13. Комплексное решение проблемы обеспечения стабильности и качества при механической обработке заготовок // Машиностроение и автоматизация производства: Межвуз. сб. Вып. 5. - СПб: СЗПИ.-1997.- С.45-47.

14. Фреза для обработки полок и галтелей // НТД N 87-88.- Л.: ЛЦНТИ,- 1988.-4 с.

15. Dinamic problems in FMS for machning //Vibration Enginering, 2,1988,- P. 155-166. (Соавт. Agarkova N.N., Veytc V.L., Chitrick V.E.)

16. Теория и практика оптимизационного проектирования механической обработки маложестких заготовок на станках с ЧПУ // Инструмент, N 6.1996. С. 10-12. (Соавт. Вейц В.Л.)

17. Определение параметров дискретной эквивалентной модели тонкостенного стержня // Сб. научн. тр. "Вибротехника". Вильнюс: Молоскас.- 1990.- N 60(3).- С. 55-64. (Соавт. Вейц В.Л.)

18. Опродолонио деформатавных характеристик слстскы кн-трумент-заготовка при фразоровании сложнопрофилькых заготовок // Межвуз. сб. научн. тр.: Динамика виброактивных систем. Иркутск: ИПИ,- 1992.- С. 81-90. (Соавт. ВейцВ.Л.)

19. Динамика тохнологичоской системы при механической об-заботке маложестких заготовок / Нелинейные колебания механических систем: IV конф,- Нижний Новгород,- 1996 С. 30. [Соавт. Вейц В.Л.)

20. Конечнозлементная формулировка задачи о деформации тонкостенных закрученных стержней / Межвуз. томатич. сб. тр.: Проблемы расчета строительных конструкций с учетом физической 1 геометрической нелинейности. J1.: ЛИСИ.- 1986,- С.124-133. Соавт. Шоволов Л.П.)

21. Задачи динамики ГАП механообработки // Межвуз. сб. научн. гр. "Вибротехника", N 2(55). 1986.- С. 73-83. (Соавт. Агаркова H.H., }ейц В.Л., Хитрик В.Э.)

22. Постановка задач вибродиагностики применительно к мотал-юрежущим станкам // Сб. научн. тр. "Вибротехника", 1.- Вильнюс: Лолоскас.- 1984.- С. 103-112. (Соавт. Бундур М.С., Вейц В.Л., (итрик В.Э.)

23. Разработка вибродиагностической модели процессов ме-[анической обработки турбинных лопаток / Вибродиагностика и ви-фозащита машин и приборов. Межвуз. сб. научн. тр. Иваново. -I989.- С. 42-53. (Соавт. Андреев С.А., Грибов В.П.)

24. Математическая модель контактных динамических взаимодействий упругой системы в процессо резания на базе молеку-1Ярно-механических представлений // Машиностроение и автоматизация производства Межвуз. сб. Вып.5,- Спб: СЗПИ.-1997.-i.55-64. (Соавт. Максимов О.Г., Хитрик В.Э.)

25. Конечноэлементная формулировка задачи контактного взаимодействия в процессо стружкообразования // Машиностроение и автоматизация производства. Межвуз.сб.Вып.6.- Спб: СЗПИ.-1997.-64-75. (Соавт. Козлова Е.Б.)

26. Обобщенная функциональная модель состояния поворх-юстного слоя изделий // Труды СПбПУ. 1996. С. 23-29. (Сосзт. ^енчило И.А.)

27. Исследование упругопластических характеристик поверх-юстного материалов методом микротвердости // Машиностроение и 1втоматизация производства: Межвуз. сборник. Вып.1- СПб: СЗПИ.-1996. С. 99-109. (Соавт. Петров В.М.)

28. Контроль состояния поверхностного слоя конструкционных материалов // Инструмент, N 2. 1995,- С. 28-29. (Соавт. Петров В.М.)

29. Неразрушающий контроль напряженно-деформированного состояния деталей машин на базе ИВК / Техническое днагностирование-93. СПб: АДИОС.- 1993.- С. 130-131. (Соавт. Иванов С.Ю.)

30. Влияние ионно-вакуумной обработки на микрогеометрию рабочих поверхностей инструментов // Инструмент, N 4. 1996.- С. 22-23. (Соавт. Петров В.М., Сенчило И.А.)

31. Комплексное исследование состояния поверхностного слоя инструментальных материалов при ионно-вакуумной обработке / Управление качеством финишных методов обработки. Сб. научн. тр. Пермь: ППУ.- 1996.- С. 176-179. (Соавт. Петров В.М., Сенчило И.А.)

32. Автоматизированная система непараметрической оценки микрогеометрии поверхности И Машиностроение и автоматизация производства: Межвуз. сборник. Вып.1.- СПб: СЗПИ.- 1996. С. 54-60. (Соавт. Валетов В.А., Воронин A.B., МогендовичМ.Р.)

33. Приборы и комплексы контроля качества машин.- Спб: Изд-во АО "НПЦ КОНТАКТ",- 1995.- 20 с. (Соавт. Валетов В.А., Вейц В.Л., Иванов С.Ю. и др.)

34. Расширение технологических возможностей станков с ЧПУ при фрезеровании криволинейных поверхностей / Повышение эксплуатационной надежности и эффективности использования станков с ЧПУ. - Пенза: ПДНТП.- 1982.- С. 31-33. (Соавт. Балдин Л.М., Маталин A.A.)

35. Технологическое обеспечение изготовления деталей сложной формы на станках с ЧПУ с учетом податливости обрабатываемых деталей / Интенсификация технологических процессов механической обработки.- Л.: ЛМИ.- 1986.- с. 25-26. (Соавт. Хитрик В.Э., Шмаков В.А.)

36. Оптимизация механической обработки турбинных лопаток. Л.: ЛДНТП.- 1988.- 20 с. (Соавт. Бабошкин А.Ф., Иванов С.Ю.)

37. Сертификация абразивного инструмента на гибкой основе / Высокие технологии в машиностроении: Диагностика процессов и обеспечение качества. IV Междунар. НТС Интерпартнер-96. Харьков-Алушта. 1996. С.12-13. (Соавт. Бабошкин А.Ф., Зубарев Ю.М.)

38. Программная адаптация ленточного шлифования маложестких заготовок / Технологическое и конструкторское обес-

о1\

Санкт-Петербургский институт машиностроения (ЛШ-ВТУЗ)

На правах рукописи

ВАСИЛЬКОВ Дмитрий Витальевич

УДК 621.531.3-112:621.9.115

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ОПТИМИЗАЦИОННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАЛОЖЕСТКИХ ЗАГОТОВОК

№

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

99- 5-Ьч- д

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

. . ■ - - КОНСУЛЬТАНТ

' !йсте идель [-1 шн щ16 н м евд уг i

1, л А л ^ г) >т~

/у] и ^ . -^оссииско^;.\и: Санкт-Петербургской ■инженерных ¿¿адемий, заслуженный

' .¡и- : '".ник';; . i .

Л

^1рофессор__- В. Л. Вейц

Санкт-Петербург 1997

СОДЕРЖАНИЕ

стр

ВВЕДЕНИЕ .............................................5

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ____15

1.1. Технологическая система механической обработки....................................15

1.2. Проблемы механической обработки маложестких сложиопрофильных заготовок и методы

их решения ...................................28

1.3. Оптимизация механической обработки маложестких сложнопрофильных заготовок и способы ее осуществления ........................34

1.4. Методы динамического моделирования контактных взаимодействий в процессе механической обработки маложестких заготовок..............40

1.5. Качество поверхностного слоя изделий при механической обработке маложестких заготовок и методы его обеспечения ...............46

1.6. Цель и задачи исследования ...................58

2. РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОПТИМИЗАЦИОННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАЛОЖЕСТКИХ ЗАГОТОВОК......61

2.1. Совокупность характеристик динамического состояния технологической системы при механической обработке маложестких заготовок ...61

£.2. Динамическое моделирование элементов технологической системы во взаимодействии в процессе резания .............................78

2.3. Приведение сложной модели технологической системы к совокупности упрощенных моделей .... 98

2.4. Исследование чувствительности динамической модели технологической системы к изменениям параметров в процессе механической обработки ........................................113

2.5. Результаты и выводы по главе .................130

- з -

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНТАКТНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ Б ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ МАЛОЖЕСТКИХ ЗАГОТОВОК .............................133

3*1. Постановка задачи исследования контактных

взаимодействий в процессе резания ............133

3.2. Математическое описание условий контактного взаимодействия в процессе механической обработки маложестких заготовок..................142

3.3. Динамические особенности формирования условий контактного взаимодействия при механической обработке маложестких заготовок.......170

3.4. Вычислительные аспекты решения нелинейных задач динамики при исследовании контактных взаимодействий в технологической системе .....177

3.0. Результаты и выводы по главе .................137

4. ОПТИМИЗАЦИОННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ МАЛОЖЕСТКИХ ЗАГОТОВОК ...................139

4.1. Задачи динамического синтеза технологичес

кой системы механической обработки...........190

4.2. Обеспечение стабильности качества поверх-ностна.гс слоя изделий при механической обработке на основе оптимизационного проектирования ......................................210

4.3. Комплексное исследование состояния поверхностного слоя изделий ........................226

4.4. Модификация обработки заготовок на основе оптимизационного проектирования ..............242

4.5. Результаты и выводы по главе .................253

5. РЕАЛИЗАЦИЯ ЗАДАЧ ДИНАМИКИ И КАЧЕСТВА ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОЕРРАБОТКЕ МАЛОЖЕСТКИХ ЗАГОТОВОК .....256

5.1. Экспериментальное обоснование разработан

ных методов и средств ........................256

5.1.1. Динамические стенды для натурного моделирования контактных взаимодействий в процессе резания ..............256

5.1.2. Измерительно-вычислительные комплексы контроля качества поверхностного

слоя изделий ..........................266

V - 4 -

5.1.3. Результаты натурного моделирования при механической обработке маложест-

ких заготовок.........................2?9

5.2. Тестирование основных программных средств ....284

5.2.1. Имитационное моделирование контактных взаимодействий в процессе

резания ...............................284

5.2.2. Реализация вычислительных алгоритмов ..290

5.3. Результаты комплексного исследования качества поверхностного слоя изделий...........303

5.4. Отдельные результаты оптимизационного проектирования механической обработки маложестких заготовок............................... .3,17

I

5.5. Результаты и выводы по главе .................335

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...........................................338

, ЛИТЕРАТУРА ...........................................34?

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................369

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Внедрение результатов исследований в промышленности и технико-экономическое обоснование эффективности программной модификации при механической обработке мал (жестких заготовок на стан-

ках с ЧПУ ..............................370

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Метрологические и статистически^ характеристики программно-аппаратных средств. Результаты натурного и имитационного моделирования ......................... 407

В современном машиностроении находят широкое применение детали, обладающие повышенными деформативными свойствами. Это, прежде всего, корпусные детали оболочечного типа, относящиеся к классу тонкостенных, корпусные детали коробчатого типа, гребенные винты постоянного и регулируемого шага, лопасти гидравлических турбин и насосов, лопатки паровых и газовых энергетических стационарных машин, лопатки газотурбинных двигателей летательных аппаратов, шнеки в машинах пищевой и химической промышленности и пр. Среди указанных деталей можно выделить класс сдожнопрофильных маложестких деталей, причем в него входят детали с геометрическими сложными профилями поперечных сечений, деформативные свойства которых оказывают существенное влияние на работоспособность узлов и машин в целом. К геометрически сложным относятся профили криволинейного очертания, содержащие участки с соответствующими точками сопряжения, в том числе, с изменяющимися знаками кривизны.

Типичным представителем сложнопрофильных маложестких деталей являются лопатки паровых турбин большой мощности. Известно, что деформативные свойства лопаток, приводящие к изменению углов на входе и выходе приводят к возникновению внутрипакетных крутильных колебаний и существенно влияют на работоспособность лопаточного аппарата в целом.

Изготовление маложестких изделий осуществляется по современной технологии, в основном, на фрезерных и фрезерно-расточных станках, отделочные операции производятся на шлифовальных станках, Деформативные свойства детали проявляются тем или иным

образом.и б заготовке, что создает определенные сложности при механической обработке в условиях обеспечения, как правило, высоких требований к качеству изделий. Отметим, однако, что де-формативные свойства заготовки проявляются в технологической системе иначе, чем в конструкции машины. Поэтому можно выделить класс маложестких заготовок, относя к нему заготовки, деформа-тивные свойства которых являются доминирующими в Формировании интегративных статических и динамических характеристик технологической системы, определяющих качество и регламентирующих режимы механической обработки»

Отметим отсутствие однозначного соответствия понятий "маложесткая деталь51 и "малюжесткая заготовка", поскольку в первом случае речь идет об эксплуатационных свойствах детали (в частности, о ее работоспособности), а во втором - о свойствах заготовки, как подсистемы технологической системы,

Качество механической обработки характеризуется комплексным критерием. Комплексный критерий качества является основой многокритериальной (векторной) оптимизации механической обработки, включающим требования размерной точности, регламентирующим отклонения от правильной геометрической формы, требования по шероховатости, уровню остаточных напряжений и пр,, при обеспечении заданной стойкости режущего инструмента и минимума затрат машинного времени,

Учитывая уникальность таких деталей, как корпусные детали энергетических машин большой мощности, изготавляемых, как правило, в единичных экземплярах или весьма малой серией, высокую стоимость деталей из современных жаропрочных материалов энергетических машин, исключительную ответственность оложнопрофидьных

маложестких деталей летательных аппаратов и пр., проблема обеспечения высокопроизводительной механической обработки с обеспечением качества относительно комплексного критерия является актуальной проблемой машиностроения.

Объект исследования. Исследуется проблема механической обработки маложестких заготовок деталей ответственного назначения на станках с ЧШ% к которым предъявляются высокие требования относительно комплексного критерия при условии минимизации затрат машинного времени.

Цель исследования. Целью работы является разработка теории и методов практической реализации оптимизационного проектирования механической обработки на станках о числовым программным управлением маложестких заготовок деталей ответственного назначения, требующие решения следующих основных задач:

- выделение на основе критериального подхода класса маложестких заготовок в технологической системе механической обработки на станках с числовым программным управлением;

- разработка эффективных методов построения совокупности динамических моделей технологических систем на основе иерархического подхода при различных видах механической обработки для решения задач оптимизационного проектирования механической обработки маложестких заготовок;

- разработка комплексного критерия качества механической обработки и использование его в качестве основы многокритериальной (векторной) оптимизации процессов механической обработки маложеотких заготовок;

- разработка научно обоснованного метода эквивалентной аппроксимации исходной многомерной динамической модели техноло-

_ ;Ц —

гической системы при обработке маложестких заготовок ее упрощенными аналогами малой размерности на основе предложенного критерия близости характеристик в заданном частотном диапазоне для решения комплекса оптимизационных задач механической обработки;

- построение на базе исследования линеаризированных динамических моделей технологических систем характеристик динамического качества в пространстве варьируемых параметров при механической обработке маложестких заготовок;

- постановка и решение частных оптимизационных задач пои проектировании механической обработки маложестких заготовок на станках с числовым программным управлением различного типа;

- постановка и решение ограниченных задач управления технологической системой на основе нелинейной динамической характеристики резания при обработке маложестких заготовок;

- разработка эффективных методов управления качеством поверхностного слоя обрабатываемых оложнопрофильных маложестких заготовок и соответствующего аппаратного обеспечения для контроля качества;

- развитие метода программной модификации для станков с числовым программным управлением при обработке маложестких заготовок с учетом их технологической наследственности и деформаций в процессе обработки для повышения качества обработки относительного комплексного критерия;

- выполнение представительных экспериментов для обоснования предложенных моделей и допустимости использованных исходных предположений, правомерности рекомендаций по повышению производительности и качества механической обработки маложестких зато-

товок;

- разработка научно обоснованных рекомендаций по практическому применению полученных в работе результатов в условиях современного производства, включая решение совокупности задач автоматизации технологической подготовки производства;

- внедрение разработанных предложений и рекомендаций в производство при механической обработке маложестких заготовок крупногабаритных корпусов энергетических машин, сложнопрофиль-ных деталей летательных аппаратов и др.

Методика исследования, Методика выполнения многопланового исследования по теме диссертации включает:

- разработку нелинейных и линеаризованных моделей технологических систем при механической обработке маложестких заготовок в качестве основы для проведения комплекса исследований:

- использование современных аналитических и численно-аналитических методов при анализе динамических процессов, в том числе модифицированного метода исследования кусочно-линейных систем, метода конечных элементов (суперзлементов) и др, методов прикладной теории колебаний, теории упругости, теории автоматического управления:

- последовательное применение эффективных методов проведения инженерного эксперимента, использование современных способов статистической обработки экспериментальных данных, а также их интерпритации и построение статистически обоснованных выводов;

- широкое использование ЭВМ и методов цифрового имитационного моделирования при решении поставленных задач оптимизационного проектирования,

— О —

Достоверность получению^ результатов исследования и предложенных рекомендаций. Достоверность полученных результатов и соответствующих ревультатов базируется;

- на корректном использовании при проведении исследований современных методов прикладной теории колебаний, механики оплошной среды, теории автоматического управления, теории резания при постановке и решении совокупности задач динамики технологической системы при механической обработке маложестких заготовок;

- на результатах представительных экспериментов, достаточно хорошо согласующихся с данными численных расчетов на основе разработанных методов, целиком подтвердивших правомерность исходных допущений и используемых динамических моделей технологических систем при механической обработке маложестких заготовок;

- на успешной широко осуществленной апробации предложенных рекомендаций в промышленности и положительном опыте внедрения разработок в практику производства энергетических машин и установок.

Научная новизна, Научная новизна полученных в работе результатов заключается в следующем:

- выделен класс маложестких заготовок с достаточно полным отображением их деформативных свойств в динамических моделях технологических систем при механической обработке с учетом их специфических особенностей;

- разработан научно обоснованный метод построения с использованием иерархического принципа совокупности линеаризованных динамических моделей и их упрощенных аналогов в ограниченном частотном диапазоне для решения как задач анализа, так и

— "1 -1 —

частных задач оптимизации механической обработки мажожеотких заготовок относительно предложенного комплексного критерия;

- получены на основе исследования нелинейной динамической модели результаты, позволяющие оценить область допустимой линеаризации исходных моделей, а также область допустимого управления режимами резания в технологической системе о использованием положений теории технической устойчивости;

- разработан обобщенный векторный критерий качества механической обработки, отображающий с максимально доступной полнотой совокупность требований: по точности размеров и формы обрабатываемых изделий; по шероховатости обрабатываемых поверхностей на основе параметрической и непараметрической оценок; по уровню и виду остаточных напряжений в поверхностном слое о учетом технологической наследственности;

- развит метод определения физико-механических характеристик поверхностного слоя обрабатываемого изделия на основе анализа микротвердости, используемых при построении динамических моделей процесса механической обработки маложестких заготовок;

- разработаны методы комплексной оценки свойств поверхностного слоя обрабатываемых маложестких заготовок, основанные на использовании предложенной оригинальной аппаратуры и эффективного измерительно-вычислительного комплекса;

- предложен применительно к современным станкам с ЧПУ метод программной модификации, позволяющий на статистическом уровне компенсировать погрешности, обусловленные деформациями технологической системы пои механической обработке заготовок и перераспределением в процессе обработке внутренних напряжений.

Практическая ценность выполненных разработок. Практическая

- 1 р -

ценность результатов, пожученных в диссертации заключается в следующем:

- на базе обоснованных динамических моделей и показателей динамического состояния технологической системы механической обработки исследованы основные специфические проявления маложестких оложнопрофильных заготовок, что позволило предложить эффективные методы решения оптимизационных задач при модификации о