Автоматизация технологической подготовки производства как основа создания конкурентоспособной продукции

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА КАК ОСНОВА СОЗДАНИЯ КОНКУРЕНТОСПОСОБНОЙ ПРОДУКЦИИ

С.В. Швец, канд.техн.наук, доцент

Сумский государственный университет

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время существует проблема повышения уровня автоматизации технологической подготовки производства в связи с тем, что создание нового технологического процесса не поддается формализации. Во-первых, нет математического аппарата, позволяющего оптимально выбрать и расставить переходы и операции для незнакомой детали. Во-вторых, нельзя рассчитать режимы резания при использовании таких инструментального и обрабатываемого материалов, которые не участвовали в совместных стойкостных испытаниях.

Вторую часть этой проблемы должна решать теория резания. Однако расчеты стойкости инструмента и параметров режима резания, показателей качества обработанной поверхности выполняются по эмпирическим зависимостям. Согласно классификации решаемых при этом задач (строго формализованные, направленные на формализацию, слабо формализованные, неформализованные) они принадлежат к слабо формализованным, потому что основаны на экспертных оценках и коллективном выборе (эмпирические таблицы в справочниках, графики, аналогии). Объясняется это тем, что число неизвестных всегда больше используемых при этом уравнений. Поэтому для устранения неопределенности вводят дополнительно установленные опытным путем различные коэффициенты и показатели степени. Недостатком такой методики является то, что все эти вспомогательные переменные при любых изменениях условий обработки необходимо определять заново. Таким образом, складывается ситуация, что рассчитать можно только то, что уже однажды было кем-то подсчитано.

В условиях конкуренции приходится часто изменять детали и материалы, поэтому не всегда условия обработки имеют аналогию и могут возникать трудности при освоении нового изделия. Тогда подготовка производства рассматривается как основа создания конкурентоспособной продукции.

Цель настоящей статьи заключается в совершенствовании физических моделей явлений, отражающих процесс резания, для создания адекватных математических моделей и формирования за счет этого ресурсосберегающих условий проектирования технологических процессов и обработки деталей машин.

1. НОВЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

Экспериментально установлено и доказано [1,2], что неизменным параметром, уравновешивающим количество неизвестных и составленных уравнений, может быть значение наибольшей работы используемого лезвия. Оказалось [3], что если коренным образом не изменяются условия износа (химический состав обрабатываемого материала, технологическая среда и т.д.), то износ по задней поверхности h происходит в функциональной зависимости от выполненной работы A. Очевидно, что тепловая нагрузка на контактирующие участки поверхности лезвия зависит от массы и формы режущего клина. Поэтому с изменением геометрии лезвия изменяется и зависимость A=f(h). Рассчитать параметры A=f(h) пока что не удается. Зато их можно определить экспериментально. А это означает, что множеству комбинаций углов лезвия соответствует такое же количество функций A=f(h). Поэтому, казалось бы, вывод о связи износа лезвия с выполненной им работой не имеет практической ценности. И это действительно так для перетачиваемых инструментов. Совсем другое дело, если речь идет о многогранных неперетачиваемых пластинах (МНП). Они имеют постоянную форму, размеры, и потому любая из них может характеризоваться постоянной зависимостью A=f(h). Эту зависимость можно назвать траекторией движения к предельному значению работы лезвия. Следовательно, каждую МНП можно снабдить присущей ей функцией A=f(h).

Итак, назначив величину h (в зависимости от вида обработки: черновая, получистовая, чистовая), можно определить значение предельной работы А для конкретного перехода. Это фундаментальное понятие рассматриваемой концепции. Появляется возможность прогнозировать стойкость инструмента

, (1)

где - КПД процесса резания;

Аo=(e)d

- удельная работа разрушающего деформирования обрабатываемого материала;

V, S, t - параметры режима резания.

Введено еще одно новое понятие: КПД процесса резания. Для осуществления процесса резания, из-за наличия неизбежных потерь, потребляется больше энергии, чем требуется для разрушения обрабатываемого материала. Физические процессы такого рода оцениваются при помощи коэффициента полезного действия. КПД позволяет установить границы минимальных энергетических затрат и степень приближения к ним.

Численно коэффициент полезного действия системы резания можно определять как отношение удельной работы деформации образца из обрабатываемого материала при испытаниях на прочность Аo к удельной работе резания

Аy = Np/W

(Np - мощность резания, W=StV - объем срезанного металла). После преобразования получим

= (S t/Pz) (e)de. (2)

Уравнения (1), (2) составляют математическую модель процесса резания и перехода. Она позволяет создать компьютерную программу, которая связывает между собою параметры режима и характеристики процесса резания. Это решение основной части задачи автоматизированного проектирования технологического процесса. Появляется возможность создания компьютерных моделей переходов, элементарных составляющих или наиболее низкого уровня иерархии технологического процесса.

Следующая часть этой задачи состоит в наилучшем объединении наиболее пригодных для обработки конкретной детали в конкретных условиях переходов в операции и в конечный технологический процесс. В этом направлении проведена большая работа. Созданы логически-структурные алгоритмы, используются детали-представители. Тем не менее к завершению этой работы еще далеко. Выход из такой ситуации состоит в создании программ для ЭВМ, которые максимально облегчают аналитическую работу человека. Например, создается библиотека переходов с использованием зависимостей (1), (2) (точение, сверление, фрезерование и т.д.). После назначения инструмента и обрабатываемого материала на экране воссоздается процесс резания. Причем здесь реализуется методология оптимизации процесса, которая коренным образом отличается от традиционной. На экране отображаются все характеристики процесса, и ими можно руководить через те же функции, что и на металлорежущем станке. Исследуя созданный переход по предельным значениям параметров процесса резания (исследуя именно в режиме игры), можно установить такие их значения, которые наиболее удовлетворяют будущий технологический процесс.

Итак, наиболее перспективным направлением при автоматизации проектирования технологических процессов есть создание компьютерных моделей элементарных процессов резания и разработка простых алгоритмов объединения их в технологический процесс с возможностью быстрой перестройки после принятия решения относительно его оптимальности. Основанием для таких решений являются функциональная зависимость A=f(h) для конкретной МНП, численное значение наибольшей работы резания, КПД процесса резания.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ И СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА РАСЧЕТНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Для реализации изложенных выше теоретических положений создан расчетно-экспериментальный комплекс. Координаты графического изображения контура детали и лезвия, которое движется, взаимозависимы. Если состоялось очередное j-е изменение координат вершины лезвия x и y, то текущее значение глубины резание в i-ом интервале неизменных условий процесса резания равно

tij = (yj-1 + y),

увеличение времени обработки

ij = x/(Si ni),

а текущее значение скорости резания

Vij = (d - 2 tij)ni/ 1000.

КПД системы резания определяется не по формуле (2), а как функция от параметров режима резания

ij=V(Vij) S(Si) t(tij). (3)

Программа начинает работу при таких соотношениях:

V = V-0,04, S = 1,3 S0,58, t = 0,7 t0,15 . (4)

Эти значения установлены экспериментально и рассматриваются как номинальные.

Удельная работа в системе резания определяется по механическим свойствам обрабатываемого материала и КПД системы резания

Aуij = Ao/ij .

В результате изменения координат вершины лезвия получим увеличение работы

Aij = (Ao/ij)Vij Si t ij , (5)

а полная работа резания равна

(6)

( - работа, выполненная за предшествующие интервалы между остановками или изменениями условий резания; m-количество последовательных увеличений координат в i-ом интервале неизменных условий).

На каждом i-ом промежутке точения рассчитываются прогнозируемая стойкость, расход ресурса работоспособности лезвия и главная составляющая силы резания:

Ti = A/(Pzij Vij),

R = Aijp/A 100%,

Pzij = Aуij Si tij.

Исследование работы комплекса показало, что температура резания хорошо коррелируется с удельной работой резания,

ij = тAуij

Предусмотрен контроль за соблюдением неравенств

Aijp < A и ij < кр.

Сравнение параметров режимов резания при точении резцом из Т15К6 стали 45, установленных по предложенной методике и с использованием справочной литературы [4], подтверждает (табл. 1) адекватность предложенной модели.

Таблица 1 - Установленные параметры режимов резания при точении стали 45 резцом из Т15К6, =900

Для оценки экономии затрат на экспериментальные работы сравним количество стойкостных испытаний при создании справочных данных по обработке 10 обрабатываемых материалов с использованием 5 инструментальных материалов. При стойкостных испытаниях получим m=50 различных сочетаний материалов. Пускай для построения зависимостей стойкости от подачи, глубины и скорости резания (и износа от времени работы) необходимо n=5 точек, каждую из которых определим по k=12 экспериментам. Тогда количество экспериментов по традиционной методике

.

Для определения зависимостей

для всех инструментальных материалов необходимое количество опытов составит

,

что в 70 раз меньше.

Если даже применить метод математической статистики при планировании и обработке результатов эксперимента, то и тогда требуемое (при 3 факторах) количество опытов составит

.

Это в 16 раз больше, чем для модели с наибольшей работой лезвия.

Таким образом, новая расчетная концепция вполне соответствует поставленным целям: задача расчета характеристик процесса точения строго формализуется, что повышает степень автоматизации технологической подготовки производства; сокращается объем исходных справочных материалов; резко уменьшаются предварительные экспериментальные исследования, увеличивается объем информации о процессе точения конкретного обрабатываемого материала, уменьшаются расходы на технологическую подготовку производства; получаемые результаты максимально приближены к устанавливаемым на практике и не уступают полученным при помощи традиционных методик; появляется возможность прогнозирования условий обработки при использовании таких инструментального и обрабатываемого материалов, которые никогда раньше совместно не испытывались.

3. АДАПТАЦИЯ РАСЧЕТНОГО КОМПЛЕКСА К РЕАЛЬНЫМ УСЛОВИЯМ ПРОИЗВОДСТВА

Известно, что процесс резания стохастический. По определению это семейство случайных величин, являющихся функцией времени,

(- моменты времени, w - случайные величины). При резании используются материалы со случайными значениями механических характеристик. Поэтому очевидно, что расчетные результаты не могут полностью совпадать с практическими данными. Однако выявление причин изменения их во времени позволит значительно сблизить расчетные и экспериментальные результаты. Так как работа резания _ это произведение скорости, времени и силы, то (учитывая постоянство первых двух множителей) стохастичность может проявляться в поведении главной составляющей силы резания.

Экспериментально это исследовалось при точении стали 40Х пластиной из Т15К6 на резце CTJNR2520L16. Силы резания определялись с помощью динамометра УДМ-600. Цена деления стрелочного регистрирующего прибора равнялась 1 Н. Подача при этом сохранялась постоянной, S=0,12 мм/об. Установлено [5, 6], что зависимость главной составляющей от скорости резания можно аппроксимировать периодической кривой - синусоидой вида

,

где Po - среднее значение функции Pz(V);

Pa - амплитуда;

Vo - начальная фаза;

= (2)/Vp

- отношение предела изменения аргумента синуса к интервалу скоростей, дающих соседние экстремальные значения функции

Pz = Pz(V).

Оказалось, что синусоидой можно аппроксимировать известные экспериментальные результаты В.Ф.Боброва [7], Н.Н.Зорева и З.М.Фетисовой [8], А.И.Исаева [9].

Факт синусоидальной зависимости Pz от V можно объяснить только колебательными процессами. С.В.Федоров говорит о существовании механического кванта диссипативных структур [10]. Он считает, что движущийся объем трения можно рассматривать как колебательный контур-осциллятор. Возможно, что такой колебательный контур и определяет периодическую зависимость Pz от V.

Начальная фаза V0 и среднее значение Р0 функции

Pz = Pz(V)

оказались чрезвычайно чувствительны к любым изменениям свойств материалов и условий взаимодействия в процессе резания. Это объясняет его стохастическое поведение. Амплитуда и период функции, наоборот, _ величины достаточно повторяемые. Значение периода Vp0,5 м/с оказалось неизменным для всей группы исследованных и взятых из литературных источников черных металлов при различных условиях резания. Такая повторяемость экспериментальных результатов при исследовании процесса резания обнаружена впервые.

Кроме того, изменение параметров режима резания изменяет эффективность простых механизмов, образующихся в зоне резания [11,12].

Сравнение (рис. 1, 2) расчетных (без маркера) и экспериментальных (с маркером) кривых зависимости стойкости резца CTJNR2520L16, оснащенного твердым сплавом Т15К6, от подачи при точении стали 45 показывает, что они не являются эквидистантными. При малых подачах практическая стойкость резца оказалась выше расчетной. Это объясняется тем, что при более тонких стружках усиливается теплоотвод в окружающую среду. Стружка становится жестче, и усиливается ее влияние как рычага на создание разрушающих напряжений в зоне резания за счет изгиба. Развитая пластическая область в зоне резания, подобно наклонной плоскости, снижает составляющую Pz. Поэтому и действительная стойкость инструмента, по сравнению с расчетной, при меньших скоростях резания выше.

Исходя из энергетической теории прочности, считаем, что величина энергии разрушения для данного обрабатываемого материала постоянная. И если изменение параметров режима резания влияет на величину работы резания, то это свидетельствует об изменении КПД процесса резания.

КПД процесса резания отражает его стохастичность и эффективность простых механизмов в зоне резания, поэтому нет строгой функциональной зависимости между ним и параметрами режима резания, геометрией. Однако на основании экспериментальных исследований предложены выражения (4) для расчета номинального значения КПД. И расчетно-экспериментальный комплекс работает при таких его значениях. Расчетные кривые (см. рис. 1,2) получены именно при использовании формул (4). В случае необходимости уточнения представления о конкретном процессе определяют точную зависимость КПД от параметров режима резания, выполнив кратковременное точение с измерением Pz и рассчитав его значение по формуле (2).

Адаптация расчетного комплекса к условиям производства заключается в уточнении констант эмпирических зависимостей (4) или вида самих зависимостей. Это переводит процесс резания из разряда стохастического в вероятностный, так как тогда для фиксированного момента времени процесс является случайной величиной. Механические характеристики качественного инструментального материала изменяются в узком интервале, что дает значительное совпадение расчетных и действительных значений параметров процесса.

Сравнение расхода ресурса работоспособности инструментального материала (формулы (2), (5), (6)) с его предельными возможностями позволяет максимально сгладить противоречия между стремлением к полному использованию инструментального материала и необходимостью предотвращения критического износа лезвия.

ВЫВОДЫ

В результате выполненной работы теория резания дополнена новыми терминами и закономерностями, такими, как: наибольшая работа лезвия, коэффициент полезного действия процесса резания, закономерность влияния выполненной работы на величину износа лезвия. Это позволило создать принципиально новую математическую модель процесса резания и строго формализовать расчеты, связанные с технологической подготовкой производства.

Получены эмпирические зависимости, связывающие развитие износа многогранных неперетачиваемых пластин с выполненной работой.

Понятие наибольшей работы МНП количественно ограничивает период ее использования и позволяет установить математическую зависимость между работой резания и износом лезвия.

Понятие коэффициента полезного действия процесса резания позволяет определить качество преобразования и эффективность потребления энергии.

Установленная закономерность периодического влияния скорости резания на работу резания объясняет причину стохастичности процесса резания при точении. Амплитуда и период аппроксимирующей синусоиды хорошо совпадают при повторных экспериментах, а положение средней линии и начальная фаза очень чувствительны к любым изменениям в процессе резания.

На основании установленных закономерностей и введенных новых для теории резания понятий разработана новая концепция расчетов характеристик процесса резания, что позволило эти задачи перевести в разряд строго формализованных и разработать ряд соответствующих программ для ЭВМ. При этом моделируется точение с такими материалами (обрабатываемым и инструментальным), которые ранее совместно не испытывались.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Astakhov V.P., Shvets S.V., Osman M.O.M. Chip structure classification based on mechanics of its formation//Materials Processing Technology.-1996.-vol 71/2.-P. 246-257.

Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов .- М: Машиностроение, 1975.- 344 с.

Зорев Н.Н., Фетисова З.М. Обработка резанием тугоплавких сплавов. - М.: Машиностроение, 1966. - 226 с.

Исаев А.И. Влияние технологических факторов на остаточные напряжения в поверхностном слое при точении конструкционных сталей. -М.: ФВИНТИ, 1957. _ 81 с.

Режимы резания металлов. Справочник / Ю.В.Барановский, Л.А.Брахман, Ц.З.Бродский и др. - М.: Машиностроение, 1972. - 407 с.

Способ определения оптимальной скорости резания: А.с. 1703254 СССР, МКИ B 23 B 1/00 /С.В. Швец (СССР).-№4448513/08; Заявлено 24.06.88, Опубл. 07.01.92, Бюл. №1.-2 с.

Федоров С.В. О механическом кванте диссипативных структур трения //Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва.- К.: НТУ України «КПІ», 1998.- Т.3. -С.92-100.

Швец С.В. Наростообразование и процесс резания //Проблемы трибологии.-1998-№2.-С.17-20.

Швец С.В. Определение длины деформационных волн при скоростном деформировании металлов// Проблемы прочности. - 1996.-№3.-С. 88-95.

Швец С.В. Работа внешних сил и внутренняя энергия системы резания//Вісник Сумського державного університету.-2001.-№9(30)-10(31).-С.106-114.

Швец С.В. Расчет режимов резания //Сверхтвердые материалы. _ 2001. - №1.-С88-91.

Швец С.В. Формирование ресурсо _ и энергосберегающих технологических процессов//Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництв. -К.: НТУ України «КПІ», 1998. _ Т.3. _ С.362-364.