Теоретические и технологические основы управления кинематикой процессов резания на металлорежущих станках и станочных комплексах с ЧПУ

Размещено на http://www.allbest.ru/

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

по специальности 05.02.08 - Технология машиностроения

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ КИНЕМАТИКОЙ ПРОЦЕССОВ РЕЗАНИЯ НА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКАХ И СТАНОЧНЫХ КОМПЛЕКСАХ С ЧПУ

Минск, 2009

Работа выполнена в Белорусском национальном техническом университете.

Научный консультант Шелег Валерий Константинович, заслуженный деятель науки Республики Беларусь, лауреат Государственной премии БССР, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология машиностроения» Белорусского национального технического университета.

Официальные оппоненты:

Акулович Леонид Михайлович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Технология металлов» УО «Белорусский государственный аграрный технический университет;

Пашкевич Виктор Михайлович, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Технология машиностроения» ГУВПО «Белорусско-Российский университет»;

Хейфец Михаил Львович, доктор технических наук, профессор, проректор по научно-исследовательской работе УО «Полоцкий государственный университет».

Оппонирующая организация: ОАО «БелОМО - Минский механический завод имени С.И. Вавилова»

Защита состоится 2 июля 2009 года в 14.00часов на заседании совета по защите диссертаций Д 02.05.03 при Белорусском национальном техническом университете по адресу: 220013, г. Минск, проспект Независимости, 65, корп. 1, ауд. 202, тел. ученого секретаря 292-24-04.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского национального технического университета.

Автореферат разослан «___»__________2009 г.

Ученый секретарь

совета по защите диссертаций,

доктор технических наук, профессор Девойно О.Г.

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития машиностроительного производства характеризуется широким внедрением станков и станочных комплексов с числовым программным управлением (ЧПУ). Только в Республике Беларусь насчитывается около 12 тысяч станков с ЧПУ с тенденцией увеличения их числа. Оборудование с ЧПУ является сложным и дорогостоящим, вследствие этого проблема его эффективной эксплуатации является актуальной для любого машиностроительного предприятия.

Среди причин, снижающих эффективность использования станков с ЧПУ, выделяют нестабильность процесса резания, которая обусловлена рядом систематических (закономерные изменения скорости, глубины резания, геометрии режущего клина инструмента, которые вызваны конструктивными особенностями обрабатываемой заготовки) и случайных (нестабильность структуры и физико-механических свойств заготовок, нестабильность припуска, неоднородность пластической деформации при резании, изнашивание и разрушение режущего инструмента) факторов. Однако современные станки с ЧПУ оснащены системами управления, которые ориентированы на управление процессами резания без учета факторов нестабильности. Вследствие этого они учитываются только на этапе подготовки управляющих программ, чаще путем занижения режимов резания. В результате уменьшаются производительность и качество обработки, снижается стойкость режущего инструмента. Вместе с тем представляется, что переход к программному управлению кинематикой процесса резания позволит снизить негативное влияние факторов нестабильности процесса резания на выходные параметры процесса обработки (производительность, точность, качество поверхности) и расширить функциональные возможности оборудования с ЧПУ.

В литературе имеются лишь ограниченные сведения по использованию управления кинематикой процесса резания с целью улучшения технологических характеристик механической обработки. Главным образом они относятся к управлению кинематикой процессов резания на универсальных станках с помощью дополнительных устройств, встраиваемых в привод главного движения или привод подачи. Такой путь управления кинематикой процессов резания для станков с ЧПУ неприемлем (он приводит к снижению жесткости технологической системы и увеличению времени на переналадки станков) и не решает проблему снижения негативного влияния факторов нестабильности на выходные параметры механической обработки. Поэтому разработка и построение систем управления кинематикой процессов резания на металлорежущих станках и станочных комплексах с ЧПУ для повышения производительности обработки и качества изделий является важной научной проблемой.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Связь работы с научными программами. В основу работы положены результаты исследований, выполненных автором в рамках НИР: «Усовершенствование гибких производственных систем; разработка методов изготовления прецизионных и упрочнения быстроизнашивающихся деталей» (Республиканская научная программа «Материал 23», 1991-1995 гг.); «Определение функциональных взаимосвязей факторов нестабильности формообразования нежестких деталей на гибких производственных модулях с параметрами точности и производительности, разработка математических моделей и алгоритмов оптимального управления процессом» (Республиканская межвузовская программа фундаментальных исследований «Метрологическое обеспечение качества», 1999-2003 гг., тема ГБ - 9968, №ГР 1999664); «Разработка программно-методического обеспечения системы диагностики режущего инструмента при нестационарных режимах формообразования» (Республиканская межвузовская программа «Машиностроение - 1», 2001-2005 гг., тема ГБ - 0175, №ГР 2001 474).

Тема диссертационной работы соответствует приоритетным направлениям фундаментальных научных исследований Республики Беларусь в части разработки теоретических основ управления в системах и сетях, построения систем автоматизации (пункт 1.6. Постановления Совета Министров Республики Беларусь №111 от 29.01. 2002 г.).

Цель и задачи исследований. Целью работы является повышение эффективности использования металлорежущих станков и станочных комплексов с ЧПУ путем разработки систем управления кинематикой процессов резания.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

- разработать инвариантные математические модели и алгоритмы включения в процесс резания кинематической нестабильности путем формирования управляющего воздействия для привода главного движения и/или привода подач станка с ЧПУ;

- разработать новые методы, средства и макроопределения для формообразования закрытых элементов контура детали при точении;

- выявить закономерности влияния параметров управляющего воздействия (подачи и/или скорости резания) на кинематику и физические параметры процесса резания (силу резания, температуру в зоне резания, изнашивание режущего инструмента);

- выявить закономерности влияния параметров управляющего воздействия на выходные параметры механической обработки, эксплуатационные характеристики привода подач станков с ЧПУ и точность позиционирования;

- определить диапазоны, в которых целесообразно изменять управляющее воздействие с учетом синергетики кинематически нестабильного процесса резания и ограничений по точности обработки, качеству обработанных поверхностей и стойкости режущего инструмента;

- разработать методику для диагностики состояния и коррекции режущего инструмента в условиях кинематической нестабильности процесса резания;

- разработать и внедрить макроопределения и циклы формообразования конструктивных элементов деталей с включением в процесс нестационарного резания кинематической нестабильности;

- на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработать и внедрить адаптивные системы управления нестационарными процессами резания на токарных станках с ЧПУ.

Положения, выносимые на защиту:

- математические модели и алгоритмы включения в процесс нестационарного резания кинематической нестабильности, отличающиеся инвариантностью в отношении возможности их использования при создании программных модулей, макроопределений и циклов для систем управления станками различных технологических групп, позволяющие расширить функциональные возможности микропроцессорных систем ЧПУ и, как следствие, повысить их технический уровень;

- методы и макроопределения для формообразования закрытых элементов контура детали при точении, отличающиеся составом и последовательностью рабочих и вспомогательных ходов, позволяющие повысить производительность процесса обработки и размерную стойкость режущего инструмента;

- теоретические зависимости, устанавливающие функциональную взаимосвязь кинематических параметров процесса резания с параметрами управляющего воздействия (приращениями подачи и/или скорости резания), которые могут быть использованы для определения динамических характеристик технологической системы при различных методах механической обработки с включением в процесс резания кинематической нестабильности;

- экспериментальные зависимости, устанавливающие взаимосвязь параметров управляющего воздействия с выходными параметрами нестационарного резания (производительностью, точностью, качеством поверхности, стойкостью режущего инструмента и др.), эксплуатационными характеристиками привода подач станков с ЧПУ и точностью позиционирования, отличающиеся составом управляющих параметров и позволяющие создавать системы детерминированного и адаптивного управления для повышения эффективности использования оборудования с ЧПУ;

- метод диагностики состояния режущего инструмента при нестационарном резании, отличающийся использованием в качестве критерия для прогнозной оценки размерного износа энтропийного коэффициента стабильности размеров деталей в партии, позволяющий применять результаты измерений деталей, полученные с целью коррекции режущего инструмента для прогнозной оценки его состояния;

- системы адаптивного управления обработкой заготовок на токарных станках с ЧПУ, отличающиеся алгоритмами функционирования и их настройкой, позволяющие повысить производительность формообразования нежестких деталей более чем в два раза и точность их формы в продольном сечении на 1 - 2 квалитета;

- методика оптимизации параметров управляющего воздействия в поисковых системах адаптивного управления с использованием критерия удельной энергоемкости процесса резания (на примере токарной обработки нежестких заготовок), отличающаяся выбором оптимальных значений параметров в две стадии (первая - на этапе подготовки управляющей программы, а вторая - на этапе формообразования детали), позволяющая снизить затраты энергии при включении в процесс резания кинематической нестабильности.

Личный вклад соискателя. Автором разработаны теоретические основы построения систем управления кинематикой процессов резания, позволяющие расширить функциональные возможности оборудования с ЧПУ и повысить эффективность его использования. Установлены законы изменения управляющего воздействия, которые следует использованы как типовые решения при выполнении различных технологических операций механической обработки. Разработаны инвариантные математические модели и алгоритмы выявленных законов изменения управляющего воздействия и на их основе созданы программные модули, макроопределения и циклы для систем управления станками различных технологических групп. Для станков токарной группы разработаны новые методы, средства и макроопределения для формообразования закрытых элементов контура детали при точении. Получены новые математические зависимости, определяющие функциональную связь параметров процесса нестационарного резания с параметрами управляющего воздействия. Установлено влияние параметров управляющего воздействия на выходные параметры нестационарного резания (производительность, точность, качество поверхности, стойкость режущего инструмента), а также на эксплуатационные характеристики привода подач станков с ЧПУ и точность позиционирования. Разработан новый метод диагностики состояния режущего инструмента в условиях нестационарного резания, в основе которого лежит энтропийная оценка стабильности размеров деталей в партии.

Жуковский П.К., Кочергин А.И. и Пархутик А.П. принимали участие в разработке программных модулей, реализующих математические модели и алгоритмы управления, диагностики и оптимизации. Романчук С.И., Зайцев В.Б., Резниченко В.И. и Цыркунов М.К. оказывали практическую помощь при внедрении в производство систем адаптивного управления и системы диагностики состояния и коррекции режущего инструмента.

Шелег В.К. осуществлял консультации и оказывал практическую помощь на всех этапах выполнения данной работы.

Апробация результатов диссертации. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на следующих международных научно-технических конференциях (НТК): международной НТК «Отделочно-упрочняющая технология в машиностроении» (Минск, 1994 г.); «Совершенствование процессов финишной обработки в машино- и приборостроении, экология и защита окружающей среды» (Минск, 1995 г.) ;международная НТК научных работников и преподавателей БГПА (Минск, 1995 г., 1997 г., 1999 г., 2000 г.); 41-th Internationales Wissenschaftliches Colloquium «Produktionstechnik» (Ilmenau, Deutchland, 1996); «Метрология - 97» (Минск, 1997 г.); «Engineering Mechanics'97» (Svratka, Czech Republic, 1997); «International XXVIII Machine Parts Departments Conference» (Bratislava, Slovak Republic, 1997); «Motauto'97» (Russe, Bulgaria, 1997); «Dynamics of Machine Aggregates» (Trnava, Slovak Republic, 1998); «Motauto'98» (Sofia, Bulgaria, 1998); «Современные направления развития производственных технологий и робототехника» (Могилев, 1999 г.); «Motauto'99» (Plovdiv, Bulgaria, 1999); 44-th Internationales Wissenschaftliches Colloquium «Feinwerktechnik» (Ilmenau, Deutchland, 1999); «Motauto'01» (Varna, Bulgaria, 2001); «Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии в машиностроении» (Минск, 2001 г., 2002 г., 2003 г., 2005 г.); «Motauto'02» (Russe, Bulgaria, 2002).

Опубликованность результатов. По теме диссертации опубликована 65 научных работ, в том числе 1 монография и 21 статья, соответствующая пункту 18 Положения о присуждении ученых степеней и присвоении ученых званий в Республике Беларусь (общий объем 25,2 авторских листа), 24 статьи в сборниках научных трудов и материалов конференций, 10 тезисов докладов на конференциях, 9 авторских свидетельств и патентов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников из 206 наименований и 16 приложений. Работа изложена на 192 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц, 99 рисунков. Общий объем диссертации составляет 270 страниц, приложений - 126 страниц. Приложения содержат результаты исследований, листинги программ, расчеты технико-экономической эффективности, акты о практическом использовании результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит описание проблемы и обоснование целесообразности создания систем управления нестационарными процессами формообразования на металлорежущих станках и станочных комплексах с ЧПУ для повышения эффективности их использования в условиях многономенклатурного серийного производства.

В первой главе выполнен анализ существующих методов механической обработки с включением в процесс нестационарного резания кинематической нестабильности, направленных на повышение эффективности использования технологического оборудования, обоснованы цель и задачи исследований.

Показано, что существующие методы обработки с включением в процесс резания кинематической нестабильности с помощью дополнительных устройств, встраиваемых в привод главного движения или привод подачи, для станков с ЧПУ неприемлемы. Включение в технологическую систему дополнительного звена привело бы к снижению ее жесткости и увеличению времени на переналадки станка. В связи с этим функцию управления кинематикой процессов резания целесообразно передать устройству ЧПУ. Однако современные системы ЧПУ ориентированы на управление процессами резания без учета факторов нестабильности. Вследствие этого в системах детерминированного управления возможность воздействовать на процесс нестационарного резания фактически отсутствует. Исключение составляет возможности корректировать скорости главного движения и подачи в% к заданному в управляющей программе значению и изменять подачу с целью поддержания постоянства контурной скорости при объемной обработке. В системах адаптивного управления эта возможность обеспечивается созданием специального программного обеспечения, которое разрабатывается в рамках этой системы с учетом особенностей обрабатываемых заготовок и в состав базового программного обеспечения не входит (является трудоемким в разработке, отладке и сопровождении). Сделан вывод, что решение данной задачи следует вести путем разработки и использования в составе программного обеспечения микропроцессорных устройств ЧПУ программных модулей, макроопределений и циклов, реализующих инвариантные математические модели и алгоритмы включения в процесс резания кинематической нестабильности.

Во второй главе рассмотрены особенности современных микропроцессорных систем ЧПУ, обоснована стратегия управления нестационарными процессами формообразования, выявлены законы изменения управляющего воздействия, которые целесообразно реализовать на станках с ЧПУ с целью повышения эффективности их использования, представлены математические модели и алгоритмы управления кинематикой процессов резания.

Задача повышения эффективности использования металлорежущих станков и станочных комплексов с ЧПУ путем включения в процесс резания кинематической нестабильности может быть реализована включением в программное обеспечение (ПО) программных модулей, реализующих новые математические модели (ММ) и алгоритмы управления. Причем эти ММ и алгоритмы должны удовлетворять ряду требований. Основными из них являются: инвариантность, быстродействие, предсказуемость поведения системы управления в промежутки времени между управляющими воздействиями, возможность использования в системах детерминированного (в том числе оперативного) и адаптивного управления. Указанные требования учтены на этапе выбора стратегии управления. Такая стратегия заключается в следующем: параметр, используемый в качестве управляющего воздействия, изменяется приращениями в функции пути, а уровень сигнала управления между приращениями остается постоянным и определяется частотой управляющих импульсов (формируется в функции времени).

В результате анализа широкой номенклатуры деталей различных классов, изготавливаемых на станках с ЧПУ, установлено, что для большинства методов обработки существует множество переходов, которые целесообразно выполнять с включением в процесс резания кинематической нестабильности. Причем необходимо реализовать законы изменения управляющего воздействия (подачи и/или скорости резания), которые могут быть использованы как типовые решения при выполнении различных технологических операций механической обработки. Кроме того, важным условием является возможность задания этих законов в одном кадре управляющей программы (УП). К таким законам относятся: линейное изменение минутной подачи в функции пути; изменение подачи в функции пути с коррекцией управляющей информации; модулированное изменение подачи; прерывание подачи; линейное изменение скорости резания (частоты вращения шпинделя) и подачи в функции пути; поддержание постоянства скорости резания и подачи на оборот при торцовом и фасонном точении; изменение подачи и углов режущего инструмента в функции пути [1, 20].

Линейное изменение минутной подачи осуществляется приращениями величиной по мере обработки участка траектории длиной [20]. Управляющее устройство при этом реализует зависимость: , где и - начальная и конечная скорости подачи соответственно, мм/мин; - длина обработки, на которой подача изменяется от до, мм.

Значение выбирают из ряда 0,1; 0,2; 0,3 мм/мин; значение задают со знаком «плюс» или «минус» и принимают кратным единице дискретности перемещения (длине перемещения исполнительного органа станка при подаче от устройства ЧПУ одного импульса). При этом знак «плюс» указывает на увеличение подачи (разгон), а знак «минус» - на ее уменьшение (замедление). Текущее значение подачи после каждого приращения находится на прямой, начало которой в координатах «минутная подача - длина перемещения» определяется начальной скоростью подачи , а угол наклона - отношением /. Параметры переменной подачи и направление изменения (знак приращения при ) задаются в кадре управляющей программы совместно с геометрической и технологической информацией.

Устройство ЧПУ реализует минутную подачу. Однако процесс резания для большинства методов механической обработки связывают с подачей на оборот . Поэтому были получены зависимости для расчета текущего значения подачи на оборот при линейном увеличении (уменьшении) минутной подачи. Так, для увеличения скорости подачи (разгона)

,

где - время одного оборота шпинделя станка, мин;

- текущее время обработки с переменной подачей, мин.

Поскольку устройство ЧПУ для оперативного программирования ориентированы на упрощенную схему ввода и редактирования УП, целесообразно, чтобы математическая модель и алгоритм управления подачей в функции пути отвечали следующим требованиям: закон изменения подачи должен описываться в одном кадре УП минимальным числом параметров; следует предусмотреть возможность коррекции управляющей информации, связанной с поддержанием закона изменения подачи, заданного в УП. Указанные требования учтены в алгоритме управления подачи в функции пути с коррекцией управляющей информации. В соответствии с ним минутная подача изменяется приращениями величиной по мере отработки участков пути переменной длины между приращениями [16, 22, 59]. Причем параметр корректируется на величину после каждого приращения подачи. Начальное значение , задаваемое в кадре УП, соответствует параметру переменной подачи . Совместно с в кадре УП задаются начальное значение подачи, а также параметры и . Значение и выбирают так же, как и при линейном изменении подачи в функции пути. Параметр задают со знаком «плюс» или «минус» кратным единице дискретности (минимальное значение = 0,001 мм). Число приращений подачи при ее изменении от начального значения до конечного можно определить из следующей зависимости:

.

Тогда длина перемещения, на которой производится приращений подачи, определяется из выражения:

.

Варьируя значениями и , а также знаками «плюс» или «минус» при и , можно реализовать множество законов изменения минутной подачи в функции пути.

Текущее значение подачи на оборот при изменении минутной подачи с коррекцией параметра определяется из соотношения

Модулированное изменение подачи заключается в периодическом ее увеличении от до с последующим снижением до первоначального значения. Подача между ее пиковыми значениями изменяется приращениями на величину по мере обработки участков между этими приращениями. Для этого устройство ЧПУ поочередно реализует зависимости и , где - число приращений скорости подачи при ее изменении от до [20, 35, 58, 60, 61]. Длина пути разгона (замедления) при этом определяется из выражения ; значение выбирается кратным 0,1 мм/мин; принимается кратной единице дискретности. Положительный результат от включения в процесс нестационарного резания модулированной подачи определяется главным образом соотношением ее пиковых значений [20, 58]. Для количественной оценки этого соотношения удобно использовать коэффициент модулированного изменения подачи , где и - нижнее и верхнее пиковые значения подачи на оборот соответственно.

По алгоритму прерывания подачи управляющее устройство периодически через определенное число импульсов , поступающих на привод подач, выдает импульсы , которые на привод подач не поступают (отрабатываются фиктивно) [1, 20, 35]. После перемещения исполнительного органа станка на величину устройство ЧПУ периодически подает сигнал на фиктивное перемещение , где - величина перемещения исполнительного органа станка при отработке одного импульса, выдаваемого устройством ЧПУ на привод подач. Время на перемещение исполнительного органа станка на величину и время на фиктивное перемещение на величину (выдержка времени) определяются скоростью минутной подачи, задаваемой в кадре УП: ; . Для сравнительной оценки процессов резания с прерыванием подачи введены коэффициенты и , устанавливающие взаимосвязь подачи на оборот с параметрами и . При этом ; . Коэффициенты и характеризуют соответственно частоту и продолжительность прерывания подачи. Линейное увеличение (уменьшение) частоты вращения шпинделя и минутной подачи осуществляется приращениями и соответственно по мере обработки участков между их приращениями. Управляющее устройство при этом реализует следующие зависимости [1, 20, 51]:

; ,

где и - начальная и конечная частоты вращения шпинделя, ;

и - начальная и конечная скорости подачи, мм/мин;

- длина перемещения, на которой частота вращения шпинделя изменяется от до , а подача от до , мм.

Величина принимается из ряда 0,1; 0,2; 0,3 мм/мин и т. д. Величина находится из выражения: . Число приращений подачи и частоты вращения шпинделя на участке длиной определяется из соотношения: . Величина находится из выражения в модуле, выполняющем аппроксимацию кривых изменения частоты вращения шпинделя и подачи в функции пути. Тогда зависимость для определения текущего значения подачи на оборот заготовки (инструмента) в функции времени для режима разгона можно записать в виде:

управление кинематика металлорежущий станок

,

а текущее значение скорости резания в функции времени при этом определить из соотношения:

,

где - диаметр обработки, мм.

Задача поддержания постоянства скорости резания и подачи на оборот в условиях бесступенчатого регулирования частоты вращения шпинделя решена путем построения алгоритма, в котором используется текущая информация об изменении диаметральных размеров обрабатываемой заготовки [1, 12, 29].

Для определения момента выдачи новой частоты вращения шпинделя и изменения минутной подачи получены оценочные функции. При увеличении диаметра обработки (перемещение ведется от оси заготовки) оценочная функция определяется из выражения: , где - текущее значение числа приращений диаметра обработки; - величина приращения диаметра обработки, мм; - исходное значение частоты вращения шпинделя, ;- текущее значение числа приращений частоты вращения шпинделя; - величина приращения частоты вращения шпинделя, ; - текущее значение диаметра обработки, мм. После каждого приращения частоты вращения шпинделя изменяется текущее значение подачи .Когда диаметр обработки увеличивается (перемещение ведется от оси заготовки), оценочная функция имеет вид .

Математические модели и алгоритмы изменения подачи и углов резания в функции пути реализованы для обработки закрытых участков контура детали класса тело вращения (проточки, желоба, канавки шкивов, канавки лабиринтного уплотнения и др.). Применяемые на практике схемы обработки и макроопределения для формообразования этих элементов контура детали имеют ряд недостатков [1, 13, 19]: низкая стойкость режущего инструмента; значительные затраты машинного времени на выполнение дополнительных чистовых проходов; затруднен процесс образования и отвода стружки.

Обработку узких канавок рекомендуем вести по схеме, согласно которой прорезному резцу наряду с поперечной подачей (перемещение в направлении, перпендикулярном главной режущей кромке) через оборот детали сообщать знакопеременное дополнительное перемещение в основной плоскости перпендикулярно вектору поперечной подачи, а ширину главной режущей кромки принять при этом меньше ширины протачиваемой канавки на величину этого перемещения (обработка канавки «в развод») [13, 19, 46].

Для обработки широких канавок или проточек, или желобов разработана новая схема, согласно которой прорезному резцу с длиной главной режущей кромки , настроечными точками (их исходное положение и ) и вспомогательными углами в плане сообщают перемещение (врезание) на глубину с подачей ; при этом настроечные точки занимают положение и (рисунок 1). Далее резец разворачивается относительно точки так, что между главной режущей кромкой и направлением, перпендикулярным к правой боковой поверхности канавки, образуется угол (всегда ). После разворота резцу сообщают продольную подачу в направлении левой боковой поверхности канавки; при этом он работает как проходной с главным углом в плане и вспомогательным .

Когда настроечная точка будет находиться в крайнем левом положении (см. точку ), резец разворачивают относительно этой точки в исходное положение () и производят последующее врезание на глубину . Затем резец разворачивают с образованием угла относительно настроечной точки , которая находится в положении , и сообщают ему продольную подачу в направлении правой боковой поверхности канавки. После завершения этого перемещения резец возвращают в исходное положение для очередного врезания.

Рисунок 1 - Схема обработки канавки или проточки, или желоба c разворотом главной режущей кромки резца

Такие движения повторяются до полного формообразования канавки по глубине [13, 19]. Использование дополнительной управляемой координаты и специального резцедержателя для разворота резца с целью образования угла существенно усложнило бы конструкцию револьверной головки. Поэтому был спроектирован сборный резец с подвижной режущей частью, которая при перемещении суппорта по двум координатам под действием осевой составляющей силы резания разворачивается так, что между главной режущей кромкой и направлением продольной подачи образуется угол . При этом настроечная точка резца, находящаяся в вершине этого угла, в течение разворота занимает неизменное положение в системе координат детали. В державке резца между двумя щеками, образованными сквозным V-образным пазом, закреплена пластина, изготовленная из стали с высокими упругими свойствами, например, стали 65Г (45-50 HRC). На другом конце пластины закреплена режущая пластина, разворот которой при наличии осевой составляющей силы резания ограничен регулируемыми упорами. Упругая пластина работает как плоская пружина с заделкой в точке (рисунок 2).

Рисунок 2 - Расчетная схема для определения угла разворота режущей кромки резца

Под действием составляющей силы резания она деформируется (изгибается) в направлении действия этой силы (перпендикулярно к боковой поверхности канавки). После врезания резца на глубину необходимо обеспечить разворот его главной режущей кромки на угол при неподвижном положении настроечной точки . Для этого точка , принадлежащая державке резца, должна переместиться по дуге окружности радиуса в направлении по часовой стрелке и занять новое положение , которое относительно определяется координатами (величина соответствует деформации изгиба пластины под действием ). Точка , принадлежащая середине главной режущей кромки резца, при этом займет новое положение .

Параметры , используемые при программировании перемещения по дуге в цикле обработки канавки (проточки), можно определить по следующим зависимостям:

; ;

.

После завершения разворота главной режущей кромки резца выполняется рабочий ход в направлении, перпендикулярном боковой поверхности канавки. Далее для того, чтобы указанная режущая кромка под действием сил упругости пластины заняла исходное положение для последующего врезания (), точка , принадлежащая державке, должна сместиться по дуге радиуса против часовой стрелки. При этом координаты отрабатываются устройством ЧПУ с противоположным знаком.

Для разворота главной режущей кромки резца на угол при неподвижном положении настроечной точки точка должна перемещаться по дуге окружности радиуса также против часовой стрелки. Возврат режущей кромки в исходное положение под действием сил упругости происходит, если точка перемещается в противоположном направлении (по часовой стрелке).

Значение силы , достаточное для разворота режущей кромки на угол , при известных значениях определяется соотношением:

,

где - модуль упругости материала пластины, Па.

Программные модули, реализующие математические модели и алгоритмы управления нестационарными процессами резания, входят в состав базового программного обеспечения. Структурно они объединены в блок управления нестационарными процессами резания (БУНПР), который является автономным, обладает алгоритмической структурой, собственными данными и интерфейсной оболочкой. Взаимодействие этого блока с другими блоками устройства ЧПУ осуществляется путем обмена информацией. Каждый из модулей имеет свою область применения и включается путем задания соответствующих параметров. В качестве идентификаторов этих параметров выбираются символы адресов кода ИСО-7 бит, которые не использованы для кодирования стандартных функций управления для конкретного сочетания станок - устройство ЧПУ. Причем параметры задаются в кадре УП при детерминированном управлении, либо формируются автоматически в системах адаптивного управления. При организации циклов механической обработки с включением в процесс резания кинематической нестабильности взаимодействие модулей БУНПР с модулями технологического программного обеспечения осуществляется при помощи аппарата параметрического программирования с использованием формальных параметров, а также условных и безусловных переходов [1, 17].

В третьей главе изложены исследования физических явлений, сопровождающих процесс нестационарного резания (сила и температура резания, изнашивание режущего инструмента, синергетика процесса).

Методы механической обработки с включением в процесс резания кинематической нестабильности характеризуются текущими значениями скорости резания и минутной подачи , ускорениями движения резания и подачи , а также текущими значениями толщины среза , скорости ее изменения скорости относительного сдвига и угла скорости резания . Для их определения получены следующие зависимости:

;;

; ;

; ;

;

,

где - величина относительного сдвига (= 2-5);

- ширина зоны стружкообразования, мм;

- коэффициент усадки стружки ( = 2-4).

Экспериментально установлено, что при точении с модулированной подачей средние значения составляющей силы резания по сравнению с обычным резанием уменьшаются во всем диапазоне исследуемых скоростей. Данная тенденция характерна и для составляющих силы резания и . Это указывает на уменьшение работы, совершаемой при точении с модулированной подачей, что также благосклонно сказывается на условиях работы инструмента. Пиковые значения составляющей силы резания также меньше составляющей силы резания при точении с постоянной подачей, равной пиковому значению модулированной подачи. Данное явление объясняется тем, что изменение подачи приводит к изменению рабочих углов резания (переднего и заднего ), которые по-разному влияют на процессы, происходящие в зоне резания (интенсивность сдвига, условия трения стружки о переднюю поверхность и т.д.). Кроме того, за счет наличия сдвига фаз траекторий перемещения режущей кромки резца на двух соседних оборотах заготовки можно добиться явления, когда бо'льшая толщина среза будет совпадать с бо'льшим действительным углом , а малая - с меньшим. В этом случае средняя сила резания будет меньше, чем при точении с постоянной подачей, равной среднему значению модулированной. Наличие сдвига фаз приводит также к уменьшению среднего значения силы резания вследствие периодического перемещения режущей кромки резца в менее наклепанном на предыдущем обороте заготовки слоя металла.

При точении торца заготовки в режиме поддержания постоянства скорости резания и подачи на оборот установлено некоторое увеличение при уменьшении диаметра обработки (увеличении частоты вращения заготовки). Предполагается, что увеличение связано с уменьшением кинематического заднего угла вследствие изменения положения вершины резца относительно оси вращения заготовки и способностью металла после прохождения режущего лезвия восстанавливаться. С уменьшением увеличивается длина контакта поверхности инструмента с обрабатываемой заготовкой, что и приводит к росту сил трения и резания [1, 4, 50]. Установлено, что направление изменения подачи оказывает на температуру резания такое же влияние, как и на силу резания (температура в режиме разгона ниже, чем в режиме замедления). Это подтверждает предположение, что увеличение силы резания и повышение температуры в зоне резания при работе в режиме замедления обусловлено плавным переходом режущей кромки резца из слоев металла с меньшей степенью наклепа в слои, более наклепанные. Средняя температура при модулированном изменении подачи на 15-20% ниже температуры резания при точении с постоянной подачей.

Установлено, что при точении с переменной подачей наблюдается некоторое уменьшение износа по передней поверхности. Это проявляется в уменьшении глубины лунки при увеличении ее ширины. Максимальная глубина лунки находится у самой режущей кромки. По мере удаления от режущей кромки глубина лунки уменьшается. Такое изменение глубины лунки можно объяснить некоторым уменьшением составляющих силы резания и температуры. Увеличение же ее ширины обусловлено периодическим увеличением - уменьшением радиуса сходящей стружки, в результате чего центр максимальных давлений и температуры постоянно перемещается по передней поверхности резца.

Получены зависимости для определения относительного размерного износа резцов из твердого сплава Т15К6 при обработке конструкционной стали 45 с модулированной подачей и ее прерыванием :

;

Включение в цикл обработки канавок, проточек и желобов рабочего движения с продольной подачей (в направлении перпендикулярном боковой поверхности канавки) и предварительным разворотом главной режущей кромки прорезного резца на угол увеличивает его размерную стойкость в 1,8-2 раза.

Экспериментально установлено, что с ростом величины управляющего воздействия ( и ) время восстановления равновесного состояния в зоне стружкообразования (время релаксации ) увеличивается. Это явление косвенно подтверждается характером переходных процессов в приводах подачи и главного движения и характером зависимостей, устанавливающих взаимосвязь времени запаздывания составляющей силы резания с величиной управляющего воздействия и/или . Наиболее ярко рост проявляется при больших скоростях резания, что можно объяснить проявлением диффузионного механизма деформирования. В результате энтропия и время релаксации возрастают, а переход системы в равновесное состояние становится менее вероятным. Продолжительность восстановления равновесного состояния в зоне стружкообразования (время релаксации) может быть установлена по фазовой характеристике составляющей силы резания .

В четвертой главе исследовано влияние кинематической нестабильности процесса резания на точность размеров и формы деталей, шероховатость и волнистость.

На токарных станках с ЧПУ класса точности П, имеющих жесткость суппортной группы не менее 2500 Н/мм, достижимая точность диаметральных размеров соответствует 8-му квалитету при обработке с модулированной подачей и 9-му квалитету при обработке с прерыванием подачи; точность продольных размеров не зависит от закона изменения подачи и может быть обеспечена по 8-му квалитету; погрешности формы поверхностей деталей, обработанных с модулированной подачей соизмеримы с погрешностями формы поверхностей деталей, обработанных с постоянной подачей, равной среднему значению модулированной (таблица 1).

Таблица 1 - Статистические характеристики погрешностей размеров и формы деталей, изготовленных на токарных станках с ЧПУ

Контролируемый параметр	Характеристика управляющего воздействия	, мм	, мм
Диаметральный размер	Модулированное изменение подачи	0,0173	0,0086
	Прерывание подачи	0,0212	0,0095
	Постоянная подача	0,0120	0,0063
Продольный размер	Модулированное изменение подачи	0,0129	0,0064
	Прерывание подачи	0,0124	0,0066
	Постоянная подача	0,0123	0,0062
Форма в поперечном сечении	Модулированное изменение подачи	0,0024	0,0008
	Прерывание подачи	0,0025	0,0009
	Постоянная подача	0,0024	0,0008

Установлено уменьшение параметров шероховатости и при линейном изменении подачи в функции пути в диапазоне от 0,04 до 0,24 мм/об по сравнению с обычной обработкой (с постоянной подачей). Бо'льшая разность в значениях и относится к меньшим подачам. Использование проходных резцов с малыми вспомогательными углами в плане приводит к снижению высоты неровностей в режиме замедления.

При обработке торца заготовки в режиме поддержания постоянства скорости резания и подачи на оборот установлено увеличение значений параметра шероховатости по мере увеличения частоты вращения заготовки, что объясняется изменением соотношения между частотами вынужденных колебаний и автоколебаний в процессе резания.

Влияние модулированной подачи на шероховатость поверхности исследовали по методу полного факторного эксперимента. Получена зависимость

.

Включение в цикл обработки канавки рабочего движения с продольной подачей и предварительным разворотом главной режущей кромки прорезного резца на угол ведет к снижению шероховатости обработанных боковых поверхностей более чем в 1,5 раза за счет уменьшения действительного угла в плане . Расчетная высота гребешка микронеровности на боковой поверхности канавки при этом находится из уравнения

,

где - вспомогательный угол в плане, градусов;

- радиус резца при вершине, мм.

Вследствие повышения устойчивости технологической системы к автоколебаниям в процессе резания при точении с модулированной подачей происходит снижение высоты продольной волнистости на 15-20%. Одновременно образуется поперечная волнистость , параметры которой определяются размахом изменения подачи между ее пиковыми значениями (от до ) и жесткостью технологической системы.

Экспериментально установлено, что при линейном изменении подачи в функции пути в диапазоне 0,04-0,2 мм/об бо'льшие значения микротвердости и глубины упрочненного слоя относятся к поверхностному слою металла, образованному при отрицательных ускорениях подачи. При скорости резания свыше 200 м/мин наблюдается некоторое увеличение стабильности параметров и по длине поверхности, обработанной с переменной подачей, что обусловлено явлением разупрочнения, вызванным повышением температуры в зоне резания.

В пятой главе изложены результаты исследований влияния кинематической нестабильности на эксплуатационные характеристики станков с ЧПУ.

Преднамеренное введение в процесс резания кинематической нестабильности путем регулирования скорости резания и (или) подачи, как правило, обеспечивает улучшение выходных параметров процесса обработки. Однако возникающие при этом силовые воздействия циклического характера меняют характер колебательных процессов в технологической системе, что оказывает влияние на эксплуатационные характеристики отдельных узлов и механизмов станка. Прежде всего это касается механизмов привода подач. Например, периодическое изменение подачи в функции пути оказывает влияние на жесткость передачи винт-гайка качения, а также на ее демпфирующую способность. От этих характеристик зависит точность позиционирования исполнительного органа станка, которая для станков с ЧПУ играет особую роль.

В качестве объекта исследования был выбран токарный полуавтомат мод. 1А751Ф3 класса точности П. Исследование точности позиционирования проводили для продольной координаты правого суппорта (ось ) при различных изменениях подачи. Для измерений использовали штриховую меру (стеклянную линейку длиной 600 мм) и оптический микроскоп с ценой деления шкалы 1 0,2 мкм. Точность позиционирования оценивали алгебраической разностью наибольшего и наименьшего (на контролируемом участке) среднеарифметических отклонений фактических положений от запрограммированных, а также величиной рассеяния отклонений при многократном подходе к запрограммированному положению. Первый показатель характеризуется накопленным отклонением , второй - среднеквадратическим отклонением . Основные статистические характеристики распределений погрешностей позиционирования (среднее арифметическое значение и среднее квадратическое отклонение ) вычисляли при выборке большого объема ( = 100). В результате анализа экспериментальных результатов исследований установлено, что режим изменения подачи оказывает влияние на точность позиционирования. Например, при увеличении размаха между пиковыми величинами модулированной подачи установлен рост и . Кроме того, при модулированной подаче с отношением < 0,5 и прерывании подачи эмпирические распределения погрешностей позиционирования представляют собой функции с распределениями, отличными от нормального.

Введение в процесс резания кинематической нестабильности путем периодического изменения подачи в функции пути оказывает влияние на эксплуатационные характеристики передачи ВГК при числе циклов изменения подачи больше , что выражается в уменьшении ее контактной жесткости (на 1,5-3% при числе циклов изменения подачи в диапазоне -) и возрастании демпфирующей способности на 4,2-7%. Точность позиционирования исполнительного органа станка при этом снижается (накопленное отклонение на 4-7%, а среднее квадратическое отклонение на 6-11%). Это особенно заметно при точении с прерыванием подачи и сравнительно большом числе (более ) циклов ее изменения. Значения отклонений и , определенные после обработки очередной партии заготовок при различных режимах перемещения суппорта и = 60, представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Статические характеристики погрешностей позиционирования

Количество обработанных заготовок, , шт	Модулированное изменение подачи	Прерывание подачи	Постоянная подача
	мкм	мкм	мкм
0	16,3	1,42	16,1	1,41	16,2	1,42
6000	16,8	1,49	16,9	1,53	16,7	1,46
12000	17,3	1,55	17,6	1,62	16,9	1,51
18000	18,1	1,71	18,7	1,78	17,2	1,59
24000	18,8	1,83	19,5	1,89	17,6	1,66
30000	19,2	1,95	20,4	2,01	17,9	1,74

Как видно из экспериментальных данных, режим обработки с переменной подачей и его продолжительность (число обработанных заготовок) оказывают влияние на жесткость передачи и ее демпфирующую способность . Причем с увеличением числа обработанных заготовок значение уменьшается, а значение возрастает. Наиболее ярко это проявляется для режима обработки с прерыванием подачи.

В шестой главе показано, что существующие косвенные методы оценки величины износа (по силам резания, вибрациям, акустической эмиссии в зоне резания и др.) в условиях нестационарного резания являются не эффективными из-за необходимости при их реализации периодического выявления причин, по которым параметр, используемый для оценки состояния инструмента, изменил свою величину, и определения той его доли, которая зависит непосредственно от износа.

Предложен новый метод прогнозной оценки состояния режущего инструмента по изменению энтропийного коэффициента стабильности размеров деталей, который определяется по скользящей выборке, содержащей некоторое конечное число конкретных значений случайной величины (размер выборки) [5, 6, 56, 62]. Коэффициент является вероятностной оценкой стабильности процесса, что и позволяет использовать его для объективной прогнозной оценки интенсивности процесса изнашивания. Метод по сравнению с известными методами прост в реализации. Это связано с тем, что современные станки с ЧПУ, как правило, оснащены датчиком контроля размеров детали, а в технологическое программное обеспечение устройства управления включен модуль, реализующий различные циклы измерений. В результате размеры детали, полученные с целью коррекции режущего инструмента, могут быть использованы для диагностики его состояния. Коэффициент при этом определяется из соотношения

.

В данной зависимости число наблюдений должно быть таким, чтобы его можно было разбить на (не менее пяти) интервалов шириной , в крайние из которых попадает как минимум одно наблюдение. Такому условию удовлетворяет выборка, состоящая из 30-50 наблюдений.

Номер детали, перед обработкой которой необходимо осуществлять коррекцию инструмента, определяется путем совместного решения системы двух уравнений прямых (первое уравнение системы аппроксимирует дрейф погрешности контролируемого размера, а второе определяет верхнюю границу погрешности ). Абсцисса точки пересечения прямых линий, описанных системой, указывает на номер детали, перед обработкой которой необходимо осуществлять коррекцию, и определяется из соотношения , где и - коэффициенты прямой, аппроксимирующей дрейф погрешности контролируемого размера (определяются по методу наименьших квадратов).

Обобщенный алгоритм функционирования канала системы диагностики состояния и коррекции режущего инструмента (резца) заключается в определении после измерения каждой детали в партии, моделировании гистограммы распределения погрешности контролируемого размера и расчете текущего значения в соответствии с заданным числом случайной величины, на которое осуществляется сдвиг выборки при расчете очередного значения коэффициента. Данный метод оценки состояния режущего инструмента реализован на токарных станках с ЧПУ мод. 1А751Ф3 и мод. СМ1756Ф3. При экспериментальных исследованиях нестационарный режим резания обеспечивался путем модулированного изменения подачи (= 0,2 мм/об; = 0,4 мм/об; = = 0,1 мм/мин; = 1,2 мм) при глубине резания = 2 мм и скоростях резания = = 150, 170, 200 и 250 м/мин. Длина пути резания при обработке одной заготовки была равна 132 м. Интенсивность изнашивания определялась по отношению размерного износа к пути, пройденному режущим лезвием инструмента за время изготовления одной детали. Предельный износ инструмента (=138 мкм) был зафиксирован при обработке 76-й детали в партии. Расчет текущего значения коэффициента проводился для = 30, = 5, = 1.

Закономерность изменения коэффициента и его взаимосвязь с закономерностью изменения размерного износа режущего инструмента представлена на рисунке 3. Как видно из рисунка, участку кривой (, отражающему начальную стадию нормального (равномерного) износа, соответствует плавное уменьшение коэффициента . Это связано с тем, что выборка размером для расчета коэффициента еще содержит значения погрешности контролируемого размера, полученные в период приработки резца (начального износа).



Рисунок 3 - Закономерности изменения размерного износа режущего инструмента (1) и энтропийного коэффициента стабильности контролируемого размера (2) при обработке партии заготовок

После некоторого числа сдвигов на шаг выборка будет состоять из значений погрешности, полученных только в период нормального износа; коэффициент при этом остается практически постоянным и имеет минимальное значение. С увеличением интенсивности и неравномерности изнашивания (т.е. с началом критического износа) в состав выборки включаются новые значения погрешности, величина и диапазон рассеивания которых возрастают. Причем после каждого сдвига число таких значений погрешности в составе выборки увеличивается; в результате растет и значение коэффициента . Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что изменение коэффициента адекватно отражает состояние режущего инструмента. Увеличение скорости резания (интенсивности изнашивания) приводит к росту коэффициента. При этом уменьшается число деталей, для которых имеет минимальное значение. Предельная интенсивность изнашивания инструмента обычно наступает при увеличении коэффициента на 10-15% сверх его минимального значения, которое соответствует периоду нормального (равномерного) износа.