Введение к работе
Актуальность проблемы. Современные металлообрабатывающие производства характеризуются тенденцией снижения доли массового производства машин и увеличением доли мелкосерийного и единичного производства. При этом идеология автоматизации в машиностроении все больше ориентируется на использование гибких производственных систем (ГПС) металлообработки, предназначенных для изготовления большого количества разнообразных деталей с ограниченным участием оператора.
В настоящее время, в связи с нестабильным качеством изготовления и термической обработки инструмента, а также возможными колебаниями размеров и физико-механических свойств обрабатываемых заготовок, режимы резания, назначаются значительно ниже нормативных с целью обеспечения функциональной надежности процесса резания. При этом расчетный период стойкости может доходить до 60…120 минут, что не может считаться оптимальным для станков с ЧПУ в связи с высокой стоимостью станкоминуты.
Одним из путей обеспечения надежности процесса резания является использование систем оперативного управления, путем изменения в течение рабочего хода инструмента режимов резания на основе диагностирования технологической системы. Возможность диагностирования и управления процессом резания обеспечивается наличием свободных вычислительных мощностей в современных системах ЧПУ станков, а также использование на них приводов с бесступенчатым регулированием скорости главного движения и движения подачи. В этом случае надежность технологических систем будет определяться надежностью систем диагностирования и управления, работающих в автоматическом режиме.
В ряде случаев, например при изготовлении длинных валов, в судовой или бумагоделательной промышленности, когда вся поверхность детали должна быть обработана одним инструментом за один проход, машинное время обработки может составлять десятки часов. В этом случае, при изменении условий резания, связанных с износом инструмента, или колебаниями параметров заготовок, обеспечение надежности, при обработке на постоянных режимах резания практически невозможно.
Поэтому повышение производительности и обеспечение функциональной надежности обработки при непрерывном резании путем оперативного управления на основе многопараметрического диагностирования в условиях возможных изменений параметров начального состояния инструментов, а также размеров и физико-механических свойств обрабатываемой заготовки является актуальной научно-технической проблемой.
Цель работы. Повышение производительности обработки и обеспечение функциональной надежности системы непрерывного резания путем оперативного управления на основе стабилизации на предельно допустимом уровне значения максимальной температуры на рабочих поверхностях инструмента, фиксируемой в реальном времени посредством многопараметрического диагностирования состояния инструмента и заготовки, а также измерения мощности резания.
Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:
- проанализировать структуру системы резания с целью выявления воздействующих на нее факторов и описывающих ее состояние параметров;
- выявить возможные изменения переменных факторов процесса резания в течение периода стойкости инструмента;
- установить параметры процесса резания, определяющие его функциональную надежность, а также методы их контроля;
- установить связи параметров процесса резания, определяющих его функциональную надежность с факторами процесса резания;
- разработать метод многопараметрического диагностирования процесса резания с использованием необходимого и достаточного количества фиксирующих устройств, устанавливаемых на станок;
- разработать модель оперативного управления процессом резания путем изменения режимов резания в течение рабочего хода лезвийного инструмента.
Методы исследований. Теоретические исследования основываются на базовых положениях теории резания материалов, методах математического и компьютерного моделирования. Экспериментальные исследования проводили в лабораторных и производственных условиях с использованием современного станочного оборудования и измерительных средств. При обработке результатов экспериментов использовали средства вычислительной техники с применением положений теорий вероятности и планирования экспериментов.
Научная новизна работы заключается в:
- модели оперативного управления процессом непрерывного резания, обеспечивающей максимальную производительность и функциональную надежность обработки путем стабилизации максимальной температуры на рабочих поверхностях инструмента;
- связях температурных полей в очагах превалирующего износа инструментов с режимами резания, свойствами материала заготовки, величиной износа инструмента;
- функциональных зависимостях крутящего момента, осевой силы и максимальной температуры у периферийной части осевого инструмента, учитывающих влияние величины износа инструментов, режимов резания и свойств обрабатываемого материала;
- методе многопараметрического диагностирования на основе распознавания возмущающих факторов процесса резания, к числу которых отнесены параметры состояния инструмента и свойства материала заготовки;
- обобщенной модели управления процессом резания на основе диагностирования состояния инструмента и обрабатываемой заготовки с последующей коррекцией режима резания с целью обеспечения максимальной производительности обработки.
Практическая ценность состоит в:
- программном комплексе для многопараметрического диагностирования состояния инструмента и заготовки, основанном на одновременном измерении и комплексном анализе диагностических признаков, число которых равно числу возмущающих факторов, воздействующих на процесс резания;
- опытном образце блока управления приводом станка, предназначенного для использования, как на универсальных станках, так и на станках с ЧПУ с целью повышения производительности и обеспечения функциональной надежности процесса непрерывного резания;
- рекомендациях по повышению стойкости инструмента в процессе непрерывного резания в условиях переменных, в течение периода стойкости инструмента, режимов резания;
- методике определения допустимого износа осевых инструментов при обработке серого чугуна различной твердости в широком диапазоне режимов резания;
- методике обеспечения обоснованных режимов резания при эксплуатации инструмента на режиме максимальной производительности.
Реализация результатов работы
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН" по заданию Минобрнауки России №2.1.2/12315 от 07.02.2011 на проведение НИР "Научно-методические основы создания и применения систем диагностирования и мониторинга состояния в реальном времени прогрессивных технологических процессов металлообработки", а также в рамках государственного контракта с Минобрнауки России № 16.552.11.7071 от 12.07.2012 г. по теме "Проведение в ЦКП «Государственный инжиниринговый центр» комплексных исследований в области разработки и практической реализации инновационных информационно-управляющих систем для диагностирования состояния и повышения эксплуатационной надежности ответственных технологических систем в машиностроении и металлообработке".
Разработанный образец системы оперативного регулирования процесса резания показал положительный результат при испытаниях на Новгородском машиностроительном заводе «Энергия», машиностроительном предприятии ООО «Сатурн», опытном производстве Технологического Центра ООО «КамАЗ», ЗАО «Ремдизель» - г. Набережные Челны, ОАО «Красногорский завод им. Зверева» - г. Красногорск.
Результаты работы используются в учебном процессе в ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН" и других вузах в рамках преподавания дисциплины "Надежность и диагностика технологических систем".
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных и всероссийских научно-технических конференциях «Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства» - Тольятти 2011г., «Проблемы исследования и проектирования машин» - Пенза 2011 г., «Системы управления жизненным циклом изделий авиационной техники: актуальные проблемы, исследования, опыт внедрения и перспективы развития» - Ульяновск 2012 г., «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении» ИМАШ РАН, Москва 2012 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 научных работ, в том числе 13 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 патент России на полезную модель, 1 монография.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (96 наименований) и приложения. Общий объем диссертации 312 страниц, включая 64 рисунка и 9 таблиц.
