Підвищення точності технологічних процесів контурного фрезерування за рахунок корекції розмірів обробки - Автореферат

Точність та продуктивність технологічного обладнання визначають ефективність машинобудівного виробництва та якість продукції. Актуальність виконаного дослідження визначається тим, що незмінний зріст вимог до підвищення якості продукції та ефективності виробництва приводить до необхідності постійного удосконалення технологічних процесів обробки деталей. Вплив різних факторів зменшує точність обробки деталей на металорізальних верстатах с ЧПУ. З точністю обробки, залежною від деформації технологічної системи, міцно повязані такі питання, як статичні та динамічні властивості технологічної системи, припустимі режими різання, геометрія інструмента, припуск на обробку, нормування жорсткості технологічної системи, тобто питання, які визначають економічну та продуктивну обробку деталей на металорізальних верстатах. Таким чином, проблема дослідження точності є однією з найбільш актуальних у машинобудуванні, тому що її вирішення дозволяє не тільки встановити основні закономірності в технологічних процесах, але й виробити заходи щодо підвищення продуктивності роботи на даному обладнанні при забезпеченні заданої точності обробки.

Результати дисертації опубліковані в 24 наукових працях, із них: 8 статей у збірниках наукових праць у фахових виданнях, 15 праць і тез доповідей на конференціях. За результатами дисертаційної роботи подано заявку на патент (рішення про видачу декларативного патенту на корисну модель за заявкою № U200708519 від 24.07.07).

Структура та обсяг дисертації. Робота містить вступ, пять розділів, загальні висновки, список використаних джерел, додатки. Загальний обсяг - 146 сторінок, у тому числі 65 рисунків, 23 таблиці, список використаних джерел з 139 найменувань на 14 сторінках та 10 додатків на 47 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі “Сучасні способи проектування і оптимізації технологічних процесів” розглянутий загальний стан досліджуваної проблеми досягнення необхідної точності механообробки на основі вітчизняних і закордонних джерел інформації, сформульовано мету і поставлено завдання досліджень. Показано, що сучасні дослідження є логічним продовженням робіт таких учених, як Балакшин Б. С., Маталін А. А., Соколовський А. П., Єгоров М. Е., Корсаков В. С., що вирішували завдання підвищення точності і ефективності механічної обробки. Аналіз літературних джерел показав, що можливості підвищення точності механічної обробки на верстатах із ЧПУ при використанні сучасних методів обмежені тим, що перед корекцією траєкторії руху інструменту на верстатах із ЧПУ не враховується стан технологічної системи і змінна жорсткість технологічної системи в різних точках робочої зони.

Накопичений досвід підвищення жорсткості технологічної системи не дає бажаного результату, оскільки можливості цього методу обмежені внаслідок різноманіття факторів, які впливають на жорсткість. Визначити жорсткість можна лише емпіричними методами, які не дають бажаної точності.

Одним із поширених способів керування точністю обробки на верстатах із ЧПУ є програмне керування траєкторією руху інструменту та режимами різання. Однак вихідні функції керування визнають виправлення в кожному з вузлів верстата, а дані про інструмент та заготовку носять досить приблизний характер. Таким чином, інформація, яка закладена в програмі, не завжди може забезпечити задовільну якість обробки деталей.

Аналіз результатів використання адаптивних систем керування обробкою на верстатах із ЧПУ, при якому забезпечується автоматичне пристосування процесу обробки за умов, які змінюються (швидкість різання, подача, сила різання), показали, що вплив факторів на умови обробки носить випадковий характер і їх важливо заздалегідь запрограмувати, тобто внести вхідними даними до системи програмного керування. Крім того, велика різноманітність факторів, які впливають на процес механообробки, представляє собою дуже складну систему, і не завжди можна виявити вплив цих факторів і своєчасно уникнути браку.

У звязку з необхідністю підвищення якості контурного фрезерування на верстатах із ЧПУ поставлені мета і задачі досліджень, викладені в загальній характеристиці роботи.

У другому розділі “Методика проведення досліджень” викладена загальна методика проведення досліджень, що включає методику дослідження пружних переміщень системи “верстат - інструмент”, методику дослідження впливу похибок обробки на точність деталей, методику створення еталонної моделі пружних переміщень верстата та інструменту при контурному фрезеруванні. Також показано використане металорізальне устаткування, різальний інструмент, оброблюваний матеріал, засоби і методи вимірювань.

Методика дослідження пружних переміщень системи “верстат - інструмент” передбачає проведення аналізу пружних переміщень вертикально-фрезерного верстата мод. 6Р13Ф3 і інструменту в робочій зоні верстата.

Для дослідження жорсткості вузлів верстата вибрали опорні точки з різними координатами (x, y, z), що знаходяться в робочій зоні верстата і характеризують крайні положення інструменту під час обробки заготовок

Максимальні значення похибок відокремлюють область, яка потребує найбільшої корекції координат x та y.

Таким чином був визначений загальний стан елементів технологічної системи. Як критерій похибки приймалася величина відхилення інструменту ? (мкм) по координатних осях x і y. Інструмент - кінцева фреза d = 20 мм, матеріал - Т15К6.

Методика припускала дослідження таких чинників: P - сила різання, мм; z - величина вильоту шпинделя, мм (вона ж координата z при складанні програми). Розрахункова сила різання за даних умов обробки складає інтервал від 500 Н до 1500 Н. Величина вильоту шпинделя z (із паспорта верстата) змінюється в межах від 0 до 100.

Таким чином, як метод дослідження використовувався статистичний метод визначення жорсткості верстата. Змінюючи зусилля Р і величину вильоту шпинделя (координату z), досліджували відхилення інструменту в напрямі координатних осей x і у.

Методика дослідження впливу похибок обробки на точність деталей полягала у визначенні похибок після обробки. Дослідження проводилися на вертикально-фрезерному верстаті мод. 6Р13Ф3. Для проведення даного експерименту вибрали 9 зразків із прямокутного прокату розміром 100 х 100 х 30 мм із отвором діаметром 50 мм, матеріал - сталь 45. Зразки після фрезерування контуру (у даному випадку - коло) досліджували за допомогою кругломіру з самописцем мод. 290.

Отримані дані дозволяють стверджувати, що при різному напрямку і величині сили різання змінюється жорсткість у кожній точці обробки. Це означає, що для вирішення задачі забезпечення точності обробки в даному випадку застосування стандартних методів недоцільне, але необхідна модель, що коректує, враховує щонайменші зміни в технологічній системі, здібна до самонавчання і прогнозування. Використання моделей на основі рекурентних залежностей для моделювання контактних процесів при різанні створює умови для отримання необхідної точності без зниження продуктивності. Отримані результати про стан елементів технологічної системи верстата є початковими при створенні еталонної моделі і дозволяють створити стійку систему з урахуванням можливих пружних переміщень при обробці .

Дана схема включає такі параметри: режими різання (V, S, t, Cp…) та залежна від них сила різання (колова Pz, радіальна Py и осьова Px); координати оброблюваного контуру (x, y, z); значення відхилення інструменту від контуру які отримані за допомогою нейромережного блоку корекції.

Методика створення еталонної моделі пружних переміщень верстата та інструменту при контурному фрезеруванні передбачає визначення найбільш вагомих факторів та побудову математичної моделі.

У третьому розділі “Теоретичне обґрунтування підвищення ефективності процесу контурного фрезерування” наведено обґрунтування впливу пружних переміщень верстата та інструменту на точність обробки.

Розроблено інформаційну модель чинників, що впливають на точність обробки при контурному фрезеруванні. Показано, що вихідні показники інформаційної моделі залежать від комплексної дії цих чинників.

Запропоновано застосування рекурентних моделей, реалізованих на нейромережному базисі для управління точністю обробки, що дозволить замінити складну структуру простішими залежностями на основі обчислювачів комплексного переміщення інструменту.

Формалізована модель j (ugol, P_sum, x, y, z):

(Var {-1,... 1});

(Var {-1,... 1});

(Var {-1,... 1});

(Var {-1,... 1});

(Var {-1,... 1}). i = 1..n j = 1..m Sinij = Sij (aij P_sumн bijн cij ун dij zн fij ugol eij);

;

, де jн - сумарна величина відхилення від контура, мм; ugolн - напрям дії сили різання, град.; P_sumн - сумарна сила різання, Н; хн, ун, zн - координати робочої зони верстата, мм, aij, bij, cij, dij, fij, eij - коефіцієнти.

Отримана залежність показує вплив входів (координат x, y, z та вектора дії сили різання ) на жорсткість j елементів технологічної системи. Показано, що введення результатів роботи еталонних моделей (отриманої корекції) до керувальної програми дозволить забезпечити точне положення інструменту з урахуванням можливих пружних переміщень при обробці.

У четвертому розділі “Експериментальні дослідження впливу жорсткості елементів технологічної системи на точність оброблюваних деталей” наведені експериментальні дослідження впливу жорсткості елементів технологічної системи на точність обробки. На підставі проведених експериментальних досліджень отримані значення пружних переміщень системи “верстат - інструмент” у кожній точці робочої зони

Експериментальне значення жорсткості змінюється в різному напрямку дії сили різання, причому вектор сили має змінне значення в кожній точці робочої зони верстата. Проведений експеримент на зразках підтвердив наявність залежності між параметрами технологічної системи даного обладнання, яка була отримана при дослідженні стану верстата.

На підставі даних про вплив похибок обробки на точність розміру отримуваних виробів створено математичну модель пружних переміщень:

На основі аналізу зсуву осі фрези під дією сил різання визначена механіка формування обробленої поверхні, пропонуються залежності для оптимізації параметрів процесу фрезерування .

Для моделювання системи з великим числом показників використовувалися як інструмент нейронні мережі, основи яких складають відносно прості, в більшості випадків - однотипні елементи, що імітують роботу нейронів мозку. Побудовані моделі жорсткості дозволяють прослідкувати взаємозвязок між параметрами (режимами різання, вектором сили різання, пружними переміщеннями в системі “верстат - інструмент”).

Управління точністю на даному устаткуванні здійснюється за рахунок введення скоректованих вхідних координат.

Нова передспотворена траєкторія є дзеркальним відображенням фактичної траєкторії щодо номінальної з урахуванням компенсації передбачуваних похибок .

Проведено оцінку максимально допустимої похибки еталонної моделі на основі оцінки її адекватності.

Результати експериментів дозволяють із великою надійністю стверджувати, що запропоновані методи дозволяють підвищити точність контурного фрезерування шляхом компенсації пружних переміщень верстата та інструменту.

У пятому розділі “Економічна ефективність застосування створеної еталонної моделі до проектування технологічних процесів на верстатах із ЧПУ” запропоновані рекомендації щодо застосування моделей на основі рекурентних залежностей до проектування технологічних процесів на верстатах із ЧПУ, проведено апробацію даної методики.

Рекомендується застосовувати пропоновану методику до обробки корпусних деталей складного профілю при чистовому фрезеруванні. Висока жорсткість верстата забезпечується шляхом корекції положення різального інструменту за рахунок застосування нових координат, отриманих у результаті аналізу стану технологічної системи.

Усю обчислювальне завантаження виконує спеціалізований нейромережний процесор, який має у памяті еталонну модель жорсткості верстата, отриману на етапі навчання.

Таким чином, програма забезпечує найкраще наближення обробленої деталі до її заданих розмірів, з урахуванням режимів різання, визначених при програмуванні.

Показано реалізацію отриманої еталонної моделі на прикладі контурного фрезерування корпусної деталі. Здійснено порівняння точності контурного фрезерування із застосуванням оперативної системи управління на основі еталонної моделі і фрезерування за програмою.

Провівши обробку даних про координати траєкторії і передбачувані режими різання за допомогою еталонної моделі, отримали нові режими різання з урахуванням можливих похибок для системи даного верстата. Отримано значення пружних переміщень і приросту для нових коректованих координат досліджуваного контура. Проведений аналіз значень по вибірці похибок контура до корекції і погрішностей контура після обробки за допомогою еталонної моделі представлений у вигляді графічної моделі

Як видно з графіків, найменше поле розсіяння похибок мають значення, отримані в результаті обробки за допомогою моделі.

Стандартне відхилення по вибірці з 15 шт. для похибок обробки без корекції складає 0,51.

Стандартне відхилення для розрахункового значення похибки складає 0,08. Отже, точність обробки із застосуванням моделі підвищується в 6 разів.

Практичні результати дисертаційної роботи впроваджені у виробництво при виготовленні корпусних деталей на фрезерних верстатах із ЧПУ на ЗАО “Новокраматорський машинобудівний завод”.

Застосування розробленої методики до фрезерування корпусних деталей на даному устаткуванні дозволило підвищити продуктивність на 24% за рахунок скорочення часу обробки при забезпеченні заданої точності.

На розроблену методику подано заявку на винахід (рішення про видачу декларативного патенту на корисну модель за заявкою № U2007 08519 від 24.07.07).

Передбачуваний річний економічний ефект від впровадження склав 115,480 тис. грн за рахунок зниження трудомісткості операцій (на 24%), зниження витрат на ремонтно-сервісне обслуговування обладнання (на 30%).

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. У дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-практичну задачу, яка полягає в розробленні нових принципів прогнозування і забезпечення точності обробки. Це дозволить вирішити важливу для машинобудівних підприємств задачу управління точністю контурного фрезерування на верстатах із ЧПУ за рахунок компенсації пружних деформацій на основі корекції взаємного розташування різального інструменту і оброблюваної заготовки.

2. Уперше розроблено спосіб моделювання жорсткості елементів технологічної системи металорізального верстата на підставі виконаного аналізу існуючих методів забезпечення точності виготовлення деталей. Розроблений метод може бути використано для підвищення точності контурного фрезерування деталей зі складними поверхнями в різних галузях машинобудування.

3. Дослідженнями встановлено змінність процесу обробки в кожній точці робочої зони верстата. Доведено непостійність впливу пружних переміщень верстата і інструменту на точність під дією однакових сил різання.

4. Обґрунтовано і експериментально підтверджено перспективність застосування еталонних моделей на основі рекурентних залежностей для підвищення точності при контурному фрезеруванні на верстатах зі змінною жорсткістю. Цьому сприяє розроблена методика створення еталонної моделі пружних переміщень верстата і інструменту при контурному фрезеруванні. Запропонована методика передбачає такі етапи: формування початкових даних шляхом проведення експерименту з метою визначення величини віджимання інструменту в статичному режимі, проведення експерименту на зразках при різних режимах різання з метою виявлення області максимального відхилення від заданого розміру, обробка даних із використанням еталонної моделі, реалізація скоректованих режимів різання при контурному фрезеруванні деталей.

5. Уперше розроблено математичну еталонну модель пружних переміщень верстата та інструменту при контурному фрезеруванні, яка відрізняється тим, що перед корекцією траєкторії інструменту визначається автоматично за програмою стан технологічної системи у: y = тз - тф, де тз - заданий припуск на обробку; тф - фактичний припуск на обробку; після чого автоматично за програмою режимами обробки здійснюється корекція руху інструменту.

6. Проведено комплекс експериментальних досліджень, який підтвердив, що впровадження результатів досліджень у виробництво дає можливість зменшити трудомісткість при фрезеруванні деталей від 20% до 24%, а також збільшити тривалість міжремонтного періоду із забезпеченням необхідної точності обробки до 30%.

7. На основі комплексу проведених теоретичних і експериментальних досліджень розроблено інженерні рекомендації щодо практичного застосування еталонних моделей на основі рекурентних залежностей до проектування технологічних процесів на фрезерних верстатах із ЧПУ, що дозволить підвищити точність обробки від 2 до 6 разів (у залежності від умов) за рахунок зменшення похибок максимальної обробки контуру, викликаної нежорсткістю технологічної системи.

8. Впровадження запропонованих еталонних моделей пружних переміщень на основі рекурентних залежностей у виробництво при виготовленні корпусних деталей на вертикально-фрезерних верстатах із ЧПУ дозволить підвищити точність технологічних процесів контурного фрезерування. Результати досліджень впроваджені на ЗАТ “Новокраматорський машинобудівний завод”. Очікуваний економічних ефект - 115,480 тис. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Основний зміст дисертації відображено у 24 публікаціях, у тому числі 8 статтях у фахових виданнях та 10 тезах доповідей на наукових конференціях: Ковалевская Е. С., Ковалевський С. В., Колот Л. П. Методика прогнозирования свойств углеродистых сталей // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем: Збірник наукових праць. - Краматорськ: ДДМА, 2002. - № 12. - С. 121-125.

Автором проведено дослідження можливості застосування математичного апарата мереж із однорідною структурою до оптимізації технологічних систем.

Ковалевская Е. С. Проектирование технологических процессов с использованием сетей с однородной структурой // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем: Збірник наукових праць. - Краматорськ: ДДМА, 2003. - № 14. - С. 146-150.

Ковалевская Е. С. Информационная модель систем технологических процессов механообработки // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем: Збірник наукових праць. - Краматорськ: ДДМА, 2004. - № 15. - С. 254-258.

Ковалевская Е. С. Методика прогнозирования и обеспечения точності обработки с учетом оптимальной траектории движения инструмента // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем: Збірник наукових праць. - Краматорськ: ДДМА, 2004. - № 16. - С. 146-149.

Ковалевская Е. С. Методика прогнозирования и обеспечения качества механической обработки // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем: Збірник наукових праць. - Краматорськ: ДДМА, 2005. - № 17. - С. 211-214.

Ковалевская Е. С., Колот Л. П. Уменьшение остаточных деформаций нежестких деталей путем правки в электромагнитном поле // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем: Збірник наукових праць. - Краматорськ: ДДМА, 2005. - № 18. - С. 146-150.

Автором запропоновано оптимізацію процеса правки в електромагнітному полі здійснювати за допомогою застосування нейромережних технологій.

Ковалевская Е. С. Моделирование режимов резания с учетом погрешностей при фрезеровании // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем: Збірник наукових праць. - Краматорськ: ДДМА, 2006. - № 20. - С. 201-206.

Ковалевская Е. С., Ковалевський С. В. Повышение точности контурного фрезерования путем динамической коррекции траектории движения фрезы // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії: Збірник наукових праць. - Краматорськ: ДДМА, 2006. - № 2 (4). - С. 147-151.

Автором розроблено методику проектування ефективних технологічних процесів з урахуванням точності положення фрези.

Ковалевская Е. С. Моделирование связей параметров технологического процесса изготовления тел вращения // Нейросетевые технологи и их применение: Сборник докладов международной научной конференции. - Краматорск: ДГМА, 2002-2003. - С. 294-299.

Ковалевская Е. С. Нейросетевое прогнозирование качества термообработки сталей и сплавов // Нейросетевые технологи и их применение: Сборник докладов международной научной конференции. - Краматорск: ДГМА, 2002-2003. - С. 110-115.

Ковалевская Е. С., Медведев В. В. Нейросетевое моделирование как парадигма описания качественных преобразований в технологических процессах // Нейросетевые технологи и их применение: Сборник докладов международной научной конференции. - Краматорськ: ДГМА, 2002-2003. - С. 137-139.

Автором проведено дослідження можливості застосування нейромережного моделювання до управління технологічними процесами.

Ковалевская Е. С. Информационное моделирование технологических процессов // Нейросетевые технологи и их применение: Сборник трудов Третьей международной научной конференции. - Краматорск: ДГМА, 2004. - С. 110-115.

Ковалевская Е. С. Нейросетевая модель жесткости технологической системы металлорежущего станка // Нейросетевые технологи и их применение: Сборник трудов четвертой международной научной конференции. - Краматорск: ДГМА, 2006. - С. 143-148.

Ковалевская Е. С., Мороз О. В. Комплексный поход к определению погрешностей от суммарных остаточних напряжений при механической обработке нежестких деталей // Наука і студент ХХІ сторіччя: Збірник наукових робіт VII Всеукраїнської студентської конференції з технології машинобудування. - Краматорськ: ДДМА, 2004. - С. 72-77.

Автором запропоновано застосовувати сумісні дії залишкової напруги до визначення величини викривлення нежорстких деталей.

Ковалевская Е. С., Ковалевський С. В., Медведєв В. В. Гомеостат как перспективная модель технологических систем // Тези доповідей Міжнародної науково-технічної конференції “Важке машинобудування. Процеси металообробки, верстати, інструменти”. - Краматорськ-Київ: ДДМА, 2003. - С. 45.

Ковалевская Е. С. Исследование методов рационального выбора коэффициентов при расчете сил резания // Тези доповідей II Міжнародної науково-технічної конференції “Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку”. - Краматорськ: ДДМА, 2004. - С. 95.

Ковалевская Е. С. Методика прогнозування та забезпечення точності обробки з урахуванням оптимальної траєкторії руху інструмента // Тези доповідей VIII Всеукраїнської науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених “ТЕХНОЛОГІЯ-2005”. - Сєвєродонецьк: Сєвєродонецький технологічний інститут СНУ ім. Даля, 2005. - С. 62-63.

Ковалевская Е. С. Методика прогнозирования и обеспечения качества механической обработки // Тези доповідей III Міжнародної науково-технічної конференції “Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку”. - Краматорськ: ДДМА, 2005. - С. 52.

Ковалевская Е. С. Методика оптимизации процесса резания на фрезерних станках с ЧПУ // Тезисы докладов IV Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов “Интеллект молодых - производству 2005”. - Краматорск: ЗАТ НКМЗ, 2005. - С. 119-120.

Ковалевская Е. С. Управление процессом резания с учетом динамической системы станка с ЧПУ // Тези доповідей IV Міжнародної науково-технічної конференції “Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку”. - Краматорськ: ДДМА, 2006. - С. 46.

Ковалевская Е. С., Колот Л. П. Уменьшение остаточных деформаций нежестких деталей путем правки в электромагнитном поле // Тези доповідей IV Міжнародної науково-технічної конференції “Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку”. - Краматорськ: ДДМА, 2006. - С. 48.

Ковалевская Е. С. Моделирование упругих перемещений при контурном фрезеровании на станках с ЧПУ // Тези доповідей V Міжнародної науково-технічної конференції “Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку”. - Краматорськ: ДДМА, 2007. - С. 63.

Ковалевская Е. С., Ковалевський С. В. Методика повышения точности контурного фрезерования путем компенсации упругих перемещений станка и инструмента // Тезисы докладов 1 научно-технической конференции молодых учених и специалистов “Энергомашспецсталь - 2007”. - Краматорск: ЗАО ЭМСС, 2007. - С. 43-44.

Ковалевская Е. С., Колот Л. П. Способ механической обработки сложных профилей деталей на станках с ЧПУ (решение о выдаче декларативного патента на полезную модель по заявке № U2007 08519 от 24.07.07).