автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему: Повышение надежности определения режимов резания в САПР ТП механической обработки
Автореферат диссертации по теме "Повышение надежности определения режимов резания в САПР ТП механической обработки"
На правах рукописи
Фролов Евгений Михайлович
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ В САПР ТП МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
05.03.01 -Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена на кафедре «Автоматизация производственных процессов» Волгоградского государственного технического университета.
Научный руководитель доктор технических наук, профессор
Плотников Александр Леонтьевич.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Шумячер Вячеслав Михайлович; кандидат технических наук, доцент Курченко Александр Иванович.
Ведущая организация ОАО НПО «ВНИИТМАШ», г. Волгоград
Защита состоится 12 ноября 2009 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.06 в Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400131, г. Волгоград, проспект им. В.И. Ленина, д. 28, ауд. 209.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.
Автореферат разослан 9 октября 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
По мере увеличения в современной машиностроительной отрасли доли серийного производства увеличивается объем использования металлорежущих станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Для повышения эффективности использования этого вида оборудования все шире применяются системы автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП).
Анализ существующих на настоящий момент методик, используемых в САПР ТП для автоматизированного назначения режимов обработки показывает, что они не обеспечивают требуемой точности. Имеется в виду, что при осуществлении технологического процесса на автоматически назначенных режимах резания заложенная в расчет стойкость инструмента, как основной показатель надежности обработки, не совпадает с действительной.
Исследования в области обеспечения надежности механической обработки позволили установить, что причина подобного расхождения, влекущего за собой недоиспользование, либо перерасход режущего инструмента, лежит в наличие разброса режущих свойств инструмента и физико-механических свойств обрабатываемых материалов, являющихся продуктами металлургического производства, особенности которого не позволяют получать материалы с узким допуском на химические и физико-механические свойства.
Ввиду увеличения объема использования в современном машиностроении станков с ЧПУ и повсеместного внедрения САПР ТП разработка технологических основ и алгоритмов для модуля автоматизированного расчета параметров процесса резания САПР ТП, позволяющих повысить надежность механической обработки за счет оперативной информации о физико-механических свойствах режущего инструмента и обрабатываемого материала, представляется важной и актуальной задачей.
Повышение надежности определения режимов резания в САПР ТП механической обработки.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выявить недостатки существующих методик расчета режимов обработки, применяемых в современных САПР ТП, и их причины. Выявить технологический критерий, определяющий интегральные физико-механические свойства материалов, участвующих в процессе обработки; установить и обосновать взаимосвязи между свойствами материалов, режимами обработки и величиной критерия.
2. На основе результатов проведенного анализа разработать метод расчета основных параметров процесса механической обработки, обеспечивающий их точность, необходимую для соблюдения заданного периода стойкости инструмента, и имеющий возможность автоматизации.
3. Разработать алгоритмы метода автоматизированного расчета режимов обработки, приемлемые для встраивания в систему ЧПУ выносного (станочного) модуля САПР ТП.
4. Провести сравнительные стойкостные испытания с целью проверки точности полученных зависимостей для определения режимов обработки.
Методы и средства исследования.
Теоретические исследования проводились с использованием основных положений теории резания, технологии машиностроения, физики твердого тела и статистического анализа.
Экспериментальные исследования проводились по методам планирования экспериментов с применением современных регистрирующих средств. Получение и обработка экспериментальных данных осуществлялась посредством применения следующих программ для ЭВМ: PcLab 2000 se (регистрация и анализ сигнала термоЭДС), OpenOffice.org Cale (статистический анализ данных), Advanced Grapher (построение графиков).
Научная новизна работы.
1. Обосновано применение термоЭДС пробного прохода, генерируемой в зоне резания, в качестве интегрального критерия оценки свойств контактной пары твердосплавный инструмент - обрабатываемый материал и условий в зоне резания.
2. Разработаны математические зависимости для определения скорости резания черновой, получистовой / чистовой и тонкой токарной обработки с использованием величины термоЭДС.
3. Разработана методика оптимизации режимов токарной обработки с применением полученных математических зависимостей, повышающих надежность выбора режимов резания в САПР ТП.
1. Полученные математические зависимости для расчета скорости резания при точении обеспечивают расхождение заданного периода стойкости инструмента с действительным в пределах 10-15 %.
2. Разработан алгоритм работы выносного (станочного) модуля САПР ТП для расчета и оптимизации режимов токарной обработки, способного функционировать в автоматическом режиме.
3. На основе разработанного алгоритма создана программа для ЭВМ «Оптимизация режимов токарной обработки».
4. Предложено модуль расчета режимов резания встраивать а систему ЧПУ для получения оперативной информации о свойствах контактной пары инструмент - обрабатываемый материал.
5. Показана возможность наращивания функциональности разработанного модуля расчета режимной части технологических процессов на примере алгоритма расчета допустимой скорости фрезерования торцовой сборной твердосплавной фрезой и созданной по нему программы для ЭВМ.
Основные положения работы докладывались на X международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики» (Москва, 2007), международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2007), VII всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Информационные технологии и математическое моделирование» (Томск, 2008), XII и XIII региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2007, 2008), ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава ВолгГТУ в 2008,2009 гг.
Основные материалы диссертации опубликованы в 13 печатных работах, в том числе в трех изданиях, рекомендованных ВАК, и в трех свидетельствах о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе, списка литературы и приложения. Работа содержит 142 страницы машинописного текста, 34 рисунка, 16 таблиц, список литературы, включающий 101 наименование и приложение на 3 страницах.
Во введении обоснована актуальность темы исследования в связи с необходимостью увеличения точности автоматически определяемых в САПР ТП режимов обработки, сформулирована научная новизна, дана общая характеристика содержания диссертации по главам.
В первой главе проведен анализ методик определения режимов обработки, используемых в современных системах автоматизированного проектирования технологических процессов. Были выявлены причины, по которым режимы обработки, рассчитываемые по рассматриваемым методикам, не позволяют обеспечить требуемый период стойкости инструмента. Проанализированы методики определения режимов резания на основе информации о физико-механических свойствах каждой конкретной пары инструмент - обрабатываемый материал. Оценена возможность их применения в модуле автоматизированного расчета режимов резания в САПР ТП и выявлен ряд особенностей, препятствующих этому.
Скорость резания как параметр процесса механической обработки, максимально влияющий на период стойкости инструмента, в различных справочных источниках рассчитывается либо по аналитическим зависимостям, либо с использованием таблиц, составленных по статистическим данным.
Показано, что в справочно-нормативной литературе в аналитической зависимости (1) для определения скорости резания поправочный коэффициент Cv имеет различные значения, а поправочные коэффициенты на механические
свойства стали и свойства режущего инструмента принимаются постоянными внутри их марочного состава. Это положение о "постоянстве" свойств контактной пары инструмент - обрабатываемый материал используется и в табличном способе определения скорости резания.
где Kv - произведение поправочных коэффициентов, учитывающих влияние материала заготовки (KMv), материала (КИу) и геометрии (К. К^, К,) инструмента и т.д.; Т - заданная стойкость инструмента, мин; t - глубина резания, мм; S - подача, мм/об; т, х, у - показатели степени; Cv - поправочный коэффициент, зависящий от сочетания свойств обрабатываемого и инструментального материала.
На примере экспериментальных данных показано различие между расчетной скоростью резания, призванной обеспечить заданный период стойкости, и скоростью резания при которой этот период стойкости обеспечивается в действительности, достигающее 100-150 %. Полученные результаты объясняются тем, что в эмпирических зависимостях, лежащих в основе методик определения режимов механической обработки, не в полной мере учитывается допускаемый по техническим условиям изготовления разброс свойств инструментальных и обрабатываемых материалов в пределах их марочного состава, а также широкий диапазон изменения значения коэффициента Cv, призванного учесть условия протекания процесса резания.
Проанализированы методики определения режимов резания на основе информации о физико-механических свойствах каждой конкретной пары инструмент - обрабатываемый материал. Оценена возможность их применения в модуле автоматизированного расчета режимов резания в САПР ТП и выявлен ряд особенностей, препятствующих этому.
Рассматриваются работы Авакова A.A., Бабича М.М., Горанского Г.К., Заковоротного B.JL, Клушина М.И., Лоладзе Т.Н., Подураева В.Н., Рыжкина A.A., Соломенцева Ю.М., Старкова В.К., Суслова А.Г., Талантова Н.В. и ряда других авторов, чьи работы посвящены исследованиям износа режущего инструмента и проблемам управления режимами резания механической обработки.
Сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе описана экспериментальная установка, исследуемые инструментальные и обрабатываемые материалы, методика проведения стойко-стных испытаний и обработки полученных экспериментальных данных.
Экспериментальные исследования проводились на токарно-винторезном станке модели 1К62 с модифицированным приводом главного движения в лаборатории кафедры «Автоматизация производственных процессов» Волгоградского государственного технического университета. Модификация привода заключается в том, что в качестве привода главного движения используется электродвигатель постоянного тока в комплекте с тиристорным преобразователем. Регистрация сигнала термоЭДС осуществлялась при помощи цифрового
осциллографа-приставки производства фирмы Welleman модели PCS-500. Просмотр получаемых осциллограмм и фиксация значения термоЭДС осуществлялся при помощи прикладного программного обеспечения PcLab 2000 se, входящего в комплект осциллографа, на персональном компьютере производства фирмы Acer модели Aspire 3680. Получаемые значения термоЭДС проверялись по показаниям образцового мультиметра М254 ГОСТ 8711-86. Контроль скорости вращения шпинделя станка осуществлялся с помощью тахометра ТЧ10-Р ГОСТ 21339-75. Фаска износа по задней грани режущей твердосплавной пластины измерялась при помощи переносной лупы бринелля с ценой деления с = 0,05 мм и увеличением К = 24. Резание осуществлялось без применения СОЖ. Заточка твердосплавных пластин производилась на универсально-заточном станке модели ЗВ642 алмазным кругом АЧК-АСР 100/80—Б1— 100.
При проведении исследований в качестве инструментальных материалов использовались сменные многогранные твердосплавные пластины марок Т5К10, Т14К8, Т15К6, Т30К4 ГОСТ 19065-80 производства ОАО «Кировоградский завод твердых сплавов». Крепление пластин на державке резца осуществлялось механически.
В качестве обрабатываемых материалов применялись: углеродистая конструкционная сталь 45 ГОСТ 1050-88 (ОАО «Златоустовский металлургический завод»), легированная конструкционная сталь 40Х ГОСТ 4543-71 (ОАО «Уральская сталь»), подшипниковая сталь ШХ15 ГОСТ 801-78 (ОАО «Бело-рецкий металлургический комбинат»). Все обрабатываемые материалы использовались в состоянии поставки. В исследованиях использовались заготовки из круглого проката. Размерный диапазон заготовок находился в пределах: диаметр D = 100. 120 мм, длина L = 500. 600 мм.
Анализ данных, полученных при проведении стойкостных испытаний проводился при помощи методов регрессионного анализа и математической статистики. Значение произведения коэффициентов Cv' Kv вычислялось на основе результатов стойкостных испытаний следующим образом. На различных режимах, характерных для исследуемой стадии обработки, осуществлялось резание. Величина фаски износа по задней грани доводилась до 0,5 мм при тонком точении и 0,8 мм при черновом и получистовом / чистовом точении. При этом значении износа фиксировалась величина стойкости инструмента с начала испытаний, которая подставлялась в формулу (1), из которой выражалось произведение коэффициентов Cv и Kv.
Установлено, что между произведением коэффициентов Cv' Kv (формула (1)) и величиной термоЭДС пробного прохода, используемого в данной работе в качестве тестового метода оперативной оценки свойств контактной пары, на трех стадиях токарной обработки наблюдается достаточно сильная обратная корреляция, что говорит об уменьшении произведения Cv' Kv с ростом значения термоЭДС. Выбор регрессионной модели, наиболее точно описывающей связь произведения коэффициентов Cv Kv и термоЭДС пробного прохода, проводился по значению стандартной ошибки оценивания.
В третьей главе приведены результаты использования величины термоЭДС пробного прохода для оценки свойств контактных пар заготовка - инструмент. Был обоснован выбор режимов пробного прохода. Составлена схема регистрации и обработки сигнала термоЭДС. Разработаны уточненные математические зависимости для определения допустимой скорости резания на трех стадиях токарной обработки и приведены результаты их экспериментальной проверки.
Анализ существующих методик выбора допустимой скорости резания в САПР ТП, проведенный в первой главе работы показал, что основной причиной, приводящей к значительному расхождению расчетных и действительных значений параметров процесса резания, является использование постоянных средних значений поправочных коэффициентов на режущие свойства твердосплавных инструментов (Ки) и физико-механические свойства обрабатываемых сталей (свр) (рис.1). На рис. 2 приведены данные о разбросе химического состава стали 45 и режущих свойств твердого сплава Т15К6 и, как следствие, разброс значений скоростного коэффициента С„ полученных экспериментальным путем.
Рис. 1. - Кривые распределения свойств пары сталь 40Х - твердый сплав Т5К10