Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ современного состояния вопроса 13
1.1 Существующие методы повышения производительности и снижения себестоимости изготовления деталей в условиях автоматизированной технологической подготовки производства 13
1.2 Анализ современного состояния процессов технологической подготовки производства и изготовления деталей со сложным профилем 37
1.3 Использование автоматизированных систем верификации управляющих программ в технологической подготовке производства 44
Выводы по главе 1 49
Глава 2 Двухуровневая оптимизация проектируемой обработки заготовок в условиях автоматизированной технологической подготовки производства 51
2.1 Методика и алгоритм двухуровневой оптимизации обработки заготовок на станках с ЧПУ 52
2.2 Оптимизация траектории движения инструмента в CAM системах 55
2.3 Второй уровень оптимизации обработки поверхностей сложного криволинейного профиля на металлорежущем оборудовании 66
Выводы по главе 2 81
Глава 3 - Методика оптимизации многокоординатной обработки поверхностей сложного и фасонного профилей 83
3.1 Создание электронной кинематической модели станка 83
3.2 Общая методика повышения производительности пятикоординатной
3.3 Метод минимизации времени многокоординатной фрезерной обработки сложнопрофильных поверхностей на основе динамического изменения режимов резания на микроучастках 98
3.4 Метод повышения производительности токарной обработки 103
3.5 Методика определения ускорения рабочих органов станков с ЧПУ 111
Выводы по 3 главе. 118
Глава 4 - Апробация предлагаемой методики оптимизации 119
4.1 Исследование возможностей станка для проверки возможности реализации предлагаемой методики повышения производительности обработки сложнопрофильных поверхностей 119
4.2 Апробация метода повышения производительности обработки сложнопрофльных поверхностей на примере изготовления тестовой детали «Крыльчатка» 125
4.3 Апробация метода повышения производительности токарной обработки 135
Выводы по главе 4 144
Заключение 146
Список литературы 148
- Анализ современного состояния процессов технологической подготовки производства и изготовления деталей со сложным профилем
- Оптимизация траектории движения инструмента в CAM системах
- Метод минимизации времени многокоординатной фрезерной обработки сложнопрофильных поверхностей на основе динамического изменения режимов резания на микроучастках
- Апробация метода повышения производительности обработки сложнопрофльных поверхностей на примере изготовления тестовой детали «Крыльчатка»
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Процессы разработки, подготовки производства, изготовления, маркетинга и продажи, эксплуатации и поддержки подчиняются определенным законам и могут быть в той или иной мере формализованы и, следовательно, могут объективно рассчитываться и оптимизироваться. Технически эта возможность до недавнего времени сдерживалась недостаточной мощностью компьютеров и средств коммуникаций. На организационном и научном уровне были достаточно хорошо описаны лишь некоторые из процессов, а их системная интеграция имела столько же видов и форм, сколько самих компаний-производителей. Современная ситуация на рынке заставляет предприятия реформировать свое производство, для этого необходимо внедрять новые технологии для ведения бизнес-процессов на более высоком уровне.
Любая страна, желающая занять лидирующие позиции в мировой экономике, должна ставить перед собой такие цели, как повышение конкурентоспособности своей продукции, создание инвестиционной привлекательности предприятий, обеспечение гарантированного уровня качества на всех стадиях жизненного цикла изделий, достижение технологической независимости в наиболее важных областях промышленности, а также рост производства наукоемкой продукции. Реализация перечисленных целей возможна только благодаря глубокой модернизации промышленности на основе использования современных достижений науки и техники, новых информационных технологий.
Проектирование изделий и их производство быстрее, качественнее и с меньшими затратами - вот основные конкурентные преимущества промышленного предприятия в современных условиях. Применительно к механообработке для достижения данных преимуществ необходимо современное высокотехнологичное оборудование, а также соответствующее информационное программное обеспечение для подготовки и верификации управляющих программ (УП), используемых при обработке заготовок на станках с ЧПУ.
Разработка технологических процессов для оборудования с ЧПУ имеет существенную специфику, связанную с необходимостью детализации всех перемещений инструмента до уровня элементарных рабочих и вспомогательных ходов, записанных в управляющей программе. В связи с этим в условиях постоянно возрастающей роли оборудования с ЧПУ актуальность приобретают вопросы анализа и построения технологической подготовки производства в единой виртуальной среде с учетом специфики и возможностей данного класса оборудования. Кроме того, необходимо стремиться к максимальному использованию возможностей современного режущего инструмента, который все более специализируется по обрабатываемым материалам и конструктивным элементам заготовок. Технологическая
подготовка производства деталей на станках с ЧПУ в настоящее время связана с широким использованием CAD/CAM-систем и других систем автоматизации различных этапов ТПП, особенно при проектировании обработки сложнопрофильных поверхностей.
Максимально полное использование возможностей современного оборудования и режущего инструмента позволит существенно повысить производительность обработки. Этому также способствуют широкие возможности современных интегрированных систем технологического назначения, позволяющие подробно рассмотреть различные варианты принимаемых технологических решений, что в конечном итоге приводит к снижению общего времени внедрения новых изделий в производство и к быстрому выходу на рынок конкурентоспособной продукции. Все это обуславливает актуальность темы диссертационной работы.
Степень разработанности
Повышение производительности обработки заготовок на станках с ЧПУ тесно связано с вопросом оптимизации режимов резания. К настоящему моменту времени этот вопрос во многих научных работах, например у таких ученых как А. В. Панкин, Г. А. Шаумян, Э. В. Рыжов, В. И. Аверченков, рассматривается довольно «узко»: либо для конкретного обрабатываемого материала, либо для конкретного режущего материала, либо для того и другого вместе, либо для определенного вида обработки, либо для изготовления определенных деталей (например, деталей с малой шероховатостью ответственных поверхностей или с повышенными техническими требованиями к ним, маложестких деталей и т.п.). Возможности CAD/САМ- и CAD/CAM/CAE-систем, современного оборудования с ЧПУ и режущего инструмента, систем верификации УП заставляют шире взглянуть на этот вопрос. Необходимо в максимальной степени использовать эти возможности для оптимизации обработки в общем, то есть необходимо оптимизировать не только режимы резания, но и траектории движения инструментов, а также сами управляющие программы. Для этого необходимо совершенствование существующих и разработка новых методов оптимизации режимов резания, а также создание соответствующих методик и рекомендаций инженеру-технологу (программисту станков с ЧПУ).
Объект и предмет исследования
Объектом исследования является технологическая подготовка производства сложнопрофильных изделий, получаемых механической обработкой.
Предметом исследования являются методы и средства технологической подготовки производства, позволяющие повысить производительность механической обработки на станках с ЧПУ сложнопрофильных поверхностей деталей приборов и систем.
Цель работы и задачи исследования
Целью является разработка, исследование и внедрение методов повышения производительности обработки поверхностей сложного, фасонного и криволинейного профилей, позволяющих снизить общее время изготовления деталей при условии обеспечения требуемого качества.
Для достижения этой цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
-
Проанализировать процессы технологической подготовки производства деталей со сложным профилем с применением САМ-систем.
-
Проанализировать существующие подходы к оптимизации режимов резания с использованием современных программных инструментов.
-
Разработать методику двухуровневой оптимизации перемещений рабочих органов станков с ЧПУ и параметров различных видов обработки сложнопрофильных поверхностей.
-
Разработать кинематическую модель обрабатывающего центра для проведения верификации и оптимизации УП.
-
Разработать программное обеспечение, реализующее оптимизацию обработки криволинейных поверхностей на базе системы верификации УП.
-
Разработать методику определения ускорения рабочих органов станков с ЧПУ для его последующего использования в ходе оптимизации обработки криволинейных и сложнопрофильных поверхностей.
-
Провести апробацию предлагаемых методик оптимизации многокоординатной обработки на примере изготовления тестовых деталей с поверхностями сложного профиля.
Методы исследования
В работе проводились как теоретические, так и экспериментальные исследования. В качестве методов исследования использовались основные положения математического и имитационного моделирования, а также технологии приборостроения и теории резания. Компьютерное моделирование процессов механической обработки заготовок проводилось в САМ-системе. Верификация управляющих программ осуществлялась с использованием разработанной математической модели многокоординатного прецизионного фрезерного обрабатывающего центра.
Научная новизна
1. Разработана методика двухуровневой оптимизации обработки сложнопрофильных поверхностей, при которой на первом уровне с использованием САМ-систем оптимизируется траектория движения
инструмента, а на втором оптимизируются режимы резания с использованием систем верификации управляющих программ.
-
Разработан метод минимизации времени многокоординатной фрезерной обработки сложнопрофильных поверхностей на основе динамического изменения режимов резания на микроучастках.
-
Разработан метод повышения производительности токарной обработки за счет изменения режимов резания в процессе её проведения в зависимости от объема удаляемого материала.
-
Разработана методика расчета ускорения подвижных узлов станков с ЧПУ при виртуальном моделировании обработки для определения машинного времени.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
-
Методика двухуровневой оптимизации процесса обработки заготовок на станках с ЧПУ с использованием САМ-систем и программного комплекса верификации.
-
Метод минимизации времени пятикоординатной обработки сложнопрофильных поверхностей на основе определения толщины стружки, объема снимаемого материала либо сохранения постоянства скорости резания с обеспечением динамического изменения частоты вращения шпинделя и минутной подачи в кадрах управляющей программы.
-
Метод повышения производительности токарной обработки фасонных и криволинейных поверхностей на основе разбиения траектории движения инструмента на участки, для которых определяются режимы резания в зависимости от удаляемого объема материала.
-
Методика определения ускорения подвижных узлов оборудования с ЧПУ, используемого при создании виртуальных моделей станков для проектирования эффективной обработки и определения машинного времени.
Практическая значимость работы
-
Предложенная методика двухуровневой оптимизации способствует совершенствованию организации технологической подготовки приборостроительного производства.
-
Предложенный метод минимизации времени многокоординатной обработки сложнопрофильных поверхностей заготовок позволяет повысить ее производительность и соответственно снизить время изготовления деталей.
-
Выполнена программная реализация методики динамического изменения режимов обработки в кадрах УП, позволяющего обеспечить плавное резание, что в свою очередь способствует повышению надежности технологического процесса деталей приборов на станках с ЧПУ.
-
Разработанный комплекс процедур, позволяет расширить возможности VERIUCT и встраивать в УП компоненты для динамического изменения режимов резания токарной и токарно-фрезерной обработки.
-
Разработана методика расчета ускорения подвижных узлов станков с ЧПУ при виртуальном моделировании обработки для определения машинного времени, что позволило улучшить характеристики виртуальных кинематических моделей, которые используются для оптимизации управляющих программ.
-
Разработанная по предложенным методикам УП была использована для изготовления детали «Крыльчатка», что позволило сократить время обработки в 1,5 раза.
-
Результаты контроля точности и шероховатости полученных поверхностей подтвердили, что использование предложенных методик для увеличения производительности обработки позволило обеспечить и требуемое качество обработки.
Достоверность результатов проведённых исследований
Диссертационная работа выполнена в соответствии с требованиями к научно-исследовательским работам и на современном научно-техническом уровне. Достоверность результатов работы подтверждается корректным использованием основных положений технологии приборостроения, апробацией предлагаемых методик в ходе проектирования операций для станков с ЧПУ, а также данными измерений, полученными при контроле качества изготовленных тестовых деталей.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы были представлены на 41 Научно-учебной конференции 30 и 31 января 2013. Проводилось участие в конференции молодых учёных с докладом «Оптимизация микрофрезерования с использованием системы VERICUT». Доклад о результатах работы на 42-й научно-учебной методической конференции НИУ ИТМО 2014, на втором всероссийском конгрессе молодых ученых. Принято участие в III всероссийском конгрессе молодых ученых, подготовлен доклад на тему «Использование облачных технологий, для управления данными об инструменте». Доклад о результатах работы на 43 научно-учебной методической конференции НИУ ИТМО. В 2015 году было выступление с темой доклада «Двухуровневая оптимизация фрезерной обработки заготовок на станках с ЧПУ» на III международной конференции «Инновации на транспорте и в машиностроении», проводимой на территории национального минерально-сырьевого университета «Горный». На IV Всероссийском конгрессе молодых ученых были обсуждены 2 вопроса по темам «Создание математической модели технологического оборудования с ЧПУ в концепции «интеграционной индустрии» и «Оптимизация режимов резания токарной обработки».
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ в виде научных статей и тезисов докладов, из которых 4 опубликованы в журналах из перечня ВАК.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и списка литературы из 104 наименований, 6 приложений. Работа содержит 177 страниц машинописного текста, 85 рисунков, 11 таблиц, соответствует п. 3, п. 5, Паспорта специальностей ВАК (технические науки) по специальности 05.11.14 — «Технология приборостроения».
Анализ современного состояния процессов технологической подготовки производства и изготовления деталей со сложным профилем
Изготовление деталей посредством механической обработки должно происходить с заданными техническими требованиями к точности и качеству поверхностей. При этом остаются актуальными вопросы производительности и надежности. Исходя из этого, можно выделить несколько направлений развития техники и технологий в таких отраслях промышленности, как приборостроение, машиностроение, станкостроение и пр. [71]: – модернизация и совершенствование металлорежущего оборудования [46]; – структурно-параметрическая оптимизация технологических процессов механической обработки; – дальнейшие исследования изменений структуры материалов в контактных слоях режущего инструмента в процессе изнашивания; – совершенствование геометрии режущего инструмента и технологических сред, в которых осуществляется обработка; – совершенствование и разработка систем числового программного управления, внедрение систем активного контроля на финишных операциях; разработка новых систем управления движениями инструмента относительно заготовки в процессе формообразования.
Каждый подход из вышеперечисленного подразумевает под собой объемные научные исследования, а так же требует проведения экспериментов. В связи с внедрением высокопроизводительной компьютерной техники в технологическое производство, оптимизация процессов резания становится особенно актуальной. Проблема оптимизации является комплексной, и требует глубокого анализа вариантов технологических решений и выбора наиболее выгодного из них на всех этапах проектирования обработки заготовок [71].
На сегодняшний день невозможно представить проектирование технологий и решение сложных технологических задач без применения компьютерной техники, уровень развития которой позволяет автоматизировать эти процессы и ускорить принятие решений [46]. Основная задача технолога при решении задачи проектирования состоит в поиске оптимального решения по предварительно выбранному критерию.
Современное конкурентоспособное предприятие, которое хочет выжить на рынке, ведет постоянную работу по повышению прибыли и сокращению расходов. Повышение автоматизации производства позволяет оптимизировать материальные и информационные потоки производства, размерные и временные связи. Однако это лишь техническая сторона вопроса, существуют более специфические задачи, решение которых нельзя оставлять без должного внимания [87].
Чтобы оправдать высокую стоимость современного режущего инструмента, предприятию необходимо максимально продлить срок его службы. Для этого необходимо оптимизировать режимы обработки на конкретном оборудовании. Кроме того, если удастся сократить машинное время, то может сократиться расходы на электроэнергию, а так же возрастёт производительность оборудования [57].
Различают три вида оптимизации технологических процессов: структурную, параметрическую и структурно-параметрическую.
При структурной оптимизации находится оптимальный вариант технологического процесса обработки: начиная с выбора оборудования, технологического маршрута, выбора вида и методов изготовления заготовки и заканчивая определением структуры операций, переходов, способов базирования, используемых приспособлений и инструментов, выбором схем резания и так далее [79]. При параметрической оптимизации определяют межоперационные размеры, размеры припусков, величины допусков, режимы резания. Кроме того по некоторым критериям определяется геометрия режущего инструмента. Также могут производиться расчеты точностных, силовых и прочностных параметров станочных приспособлений, расчеты физико-механических свойств режущих инструментов и так далее. Любой технологический процесс может быть характеризован тремя группами параметров: 1. Искомые (независимые) параметры х, которые обеспечивают наибольшую эффективность процесса в системе экстремального значения выбранного критерия при соблюдении необходимых ограничений. 2. Фазовые (зависимые) параметры у, являющиеся функцией искомых. Эти параметры описывают состояние объекта оптимизации. 3. Исходные параметры Ч , неизменные при данном варианте технологического процесса, которые являются результатом выбора оборудования, инструмента, приспособления, заготовок и т.д. В общем виде математическая модель процесса представляется векторным уравнением
Поскольку любая методика оптимизации технологических процессов сводится к задаче (1.2), эти методики целесообразно анализировать по компонентам этой задачи, т.е. по критериям оптимальности и ограничениям в отдельности.
Предварительный выбор целевой функции критерия оптимальности, т.е. наиболее важного для конкретных условий показателя, имеет решающее значение, т.к. при необоснованном назначении критерия рекомендации по режиму резания могут быть ошибочными [21]. Поэтому в качестве критерия должен быть принят показатель, в полной мере отражающий выгоду для предприятия. Например, время изготовления детали.
Структурно-параметрическая оптимизация способна охватить все задачи проектирования технологического процесса [31,50,64]. При этом формируются данные для структурной и параметрической оптимизации, так как некоторые данные (межпереходные допуски и припуски, точность обработки, шероховатость поверхности) являются для той и для другой общими. При описании процесса обработки определяются входные и выходные характеристики, которые связаны между собой сложными зависимостями. Все функциональные зависимости вместе образуют математическую модель процесса обработки. Обработка в целом носит вероятностный характер, функциональные зависимости учитывают случайный характер изменения целого ряда характеристик, определяющих выбор режимов резания. Ввиду сложности построения таких зависимостей, преимущественно используются детерминированные (постоянно определенные) модели, которые построены на основе усредненных характеристик процесса [1].
В расчете оптимальных режимов резания роль искомых параметров обычно выполняют физические и технологические критерии: скорость резания, подача, глубина резания, стойкость инструмента, относительный износ и геометрия, характеристики поверхностного слоя обработанной заготовки (шероховатость поверхностей, остаточные напряжения в поверхностном слое), удельная энергоемкость процесса резания, сила резания, мощность резания, точность обработки и так далее.
В начальной стадии процесса оптимизации формируют критерии оптимальности, статические и динамические ограничения. Критерии оптимальности необходимы для распознавания решений и, кроме того, составляют основу большинства используемых методов решения [73]. Предварительный выбор целевой функции критерия оптимальности, т.е. наиболее важного показателя для конкретных условий, имеет решающее значение, так как необоснованный выбор может дать ошибочные рекомендации по режимам резания. Поэтому в качестве критерия должен быть принят показатель, в полной мере отражающий производственную эффективность от принятого решения.
Оптимизация траектории движения инструмента в CAM системах
Современный уровень развития компьютерной техники и программного обеспечения позволяет автоматизировать процессы проектирования технологий и ускорить решение сложных технических задач. Поэтому сейчас основной задачей при проектировании ставится не нахождение какого-либо решения технологической задачи, а поиск оптимального решения по заранее выбранному критерию.
В условиях жесткой конкуренции современному предприятию необходимо постоянно сокращать издержки, возникающие на различных этапах производства. Данная задача решается путем оптимизации материальных и информационных потоков, размерных и временных связей. Часть таких задач решается техническим путем, за счет повышения степени автоматизации производства. Другие же задачи требуют более тонкой проработки при принятии решений.
Так, например, использование современного режущего инструмента будет оправдано и принесет дополнительную прибыль, только если использовать оптимальные режимы резания для конкретных условий обработки. Сокращение машинного времени за счет снижения основного и вспомогательного времени уменьшает потребление дорогой электроэнергии, высвобождает ресурс работы оборудования.
В рассмотренном выше анализе пути повышения производительности обработки было выявлено, что ускорение процесса изготовления деталей на станках с ЧПУ, напрямую зависит от многих факторов: выбора стратегии обработки, режущего инструмента, оптимизации режимов резания и т. п. В настоящее время проблема оптимизации рассматривается более широко и включает в себя ускорение производственного цикла изготовления деталей. В этой связи можно выделить следующие две возможности, которые позволяют уменьшить общее время производства деталей. Это уменьшение времени, затрачиваемого на написание управляющих программ, и снижение времени изготовления деталей, которое непосредственно связано с технологией обработки. Например, если речь идет о черновой обработке, то суть её оптимизации заключается в увеличении удельного объема удаляемого материала, а если рассматривать чистовую обработку, то после оптимизации необходимо получить соответствующую поверхность, заданную конструктором. При этом в обоих случаях целесообразно предварительно средствами используемой CAM-системы получить рациональные траектории движения режущих инструментов. Для достижения этих поставленных целей была предложена методика «Двухуровневой оптимизации обработки заготовок на станках с ЧПУ».
По своей структуре оптимизацию можно разделить на два вида. Назовем такую оптимизацию двухуровневой [12], которую предлагается проводить по представленному ниже алгоритму (см. рисунок 2.1.1).
Первый уровень оптимизации заключается в оптимизации траектории движения инструмента при помощи CAM-систем путем ее изменения. Режимы резания при этом не изменяются (остаются постоянными), а меняется только траектория рабочих или вспомогательных движений инструмента.
Оптимизацию рабочих движений инструмента целесообразно проводить, например, при 3-х координатном расфрезеровывании карманов и колодцев. Решить такую задачу позволяет, например, программа VoluMILL. Подробнее об этом будет сказано ниже.
Оптимизацию вспомогательных движений инструмента целесообразно проводить при проектировании сверлильной обработки, т.е. оптимизировать те его вспомогательные перемещения, которые он совершает в плане при переходе от одного центра обрабатываемого отверстия к другому. В этом случае можно сказать, что решают известную вышеупомянутую задачу «Коммивояжёра» [25]. То есть программа должна определять кратчайшие расстояния между опорными точками ТДИ.
Пример неоптимальной и оптимальной траектории вспомогательного перемещения инструмента Иными словами, второй метод оптимальнее первого. Необходимо учитывать, что данный метод оптимизации применим только в случае проведения одной и той же технологической операции (перехода), для одного и того же инструмента. На сегодняшний момент существующие CAM-системы не позволяют в автоматическом режиме выполнить оптимальный выбор центров обрабатываемых отверстий (опорных точек). Поэтому до тех пор, пока на приборостроительных предприятиях не появятся системы, способные рассчитывать кратчайшее перемещение инструмента, целесообразно действовать одним из возможных вариантов.
Метод минимизации времени многокоординатной фрезерной обработки сложнопрофильных поверхностей на основе динамического изменения режимов резания на микроучастках
Рассмотрим более подробно имеющуюся в VERICUT возможность разбиения траектории движения инструмента, о которой говорилось в главе 2. На рисунке 3.3.1. представлен пример результата разбиения траектории движения инструмента на участки, каждому из которых соответствует своя подача, величину которой программный комплекс VERICUT определил в зависимости от объема снимаемого материала. Однако VERICUT разбивает траекторию на участки только в том случае, если в образовавшихся новых кадрах УП, соответствующих полученным участкам, целесообразно задать новые подачи.
Изменение диапазона подач задается в модуле оптимизации. Например, если первоначально указанная подача F была равна некоторой величине и параметр «изменение минимальной подачи» равен некоторому числу K, то модуль оптимизации VERICUT будет высчитывать подачи (F) кратные этому числу. Если программа VERICUT определит, что изменение объема удаляемого материала будет незначительным, то пересчет подачи не произойдет. На рисунке 3.3.2. показан пример разбиения кадров управляющей программы. Справа указан диапазон изменения подачи равный 100 мм/мин, а слева - диапазон изменения подачи равный 1 мм/мин. Как видно для кадров УП, одинаковых по координатам перемещения, подача оказалась разной. В настройках модуля OptiPath задавались различные значения параметра «Изменение минимальной подачи». Для случая, когда этот параметр был равен 1 мм/мин, после работы модуля была получено значение подачи 1948 мм/мин. В случае, когда параметр «Изменение минимальной подачи» был равен 100 мм/мин, программный комплекс VERICUT рассчитал подачу 1900 мм/мин.
Вывод: для повышения производительности необходимо использовать диапазон изменения подачи с меньшим шагом. То есть чем меньше шаг диапазона изменения подачи, тем меньше время обработки заготовки.
Управляющие программы, для обработки сложнопрофильных поверхностей типа крыльчаток или микро-лопаток состоят, как правило, из нескольких десятков тысяч кадров. Если повышать производительность обработки деталей со сложным профилем, предлагаемым способом, то в УП окажется сотни тысяч кадров. Чем меньше задается интервал диапазона изменения подач, тем больше кадров будет образовываться. В результате перед программистами технологами на сегодняшний момент возникает вопрос: либо формировать УП содержащее огромное количество кадров, либо формировать УП с меньшим количеством кадров, но при этом проигрывать в производительности.
Рассмотрим более подробно конкретный пример. Для этого выделим некоторый участок сложнопрофильной поверхности перед выходом фрезы из нее. Может получиться так, что такой участок больше не содержит в себе изменений по объему снимаемого материала относительно подачи, заданной в модуле оптимизации. Следовательно, текущим методом повышения производительности он будет проигнорирован, так как принятый диапазон изменения подач превышает величину изменения подачи, рассчитываемую программой в зависимости от объема снимаемого материала (см. рисунок 3.3.3). Например, на рисунке 3.3.3 показано, что подача на выходе равняется 2030 мм/мин. Это было определенно при величине параметра «Изменение минимальной подачи» в 100 мм/мин. При более точном изменении этого параметра подача на выходе равнялась бы 2052 мм/мин. При этом разница между величинами этих подач составила 22 мм/мин, что меньше диапазона изменения подач 100 мм/мин. Поэтому программа не пересчитает эту подачу и не отобразит ее в УП. Рисунок 3.3.3 – Подача на выходе с криволинейного участка Как было рассмотрено выше (см рисунок 3.3.2), последняя рабочая подача не всегда является эффективной. Поэтому был предложен метод минимизации времени многокоординатной фрезерной обработки сложнопрофильных поверхностей на основе динамического изменения режимов резания на микроучастках. Суть данного метода заключается в том, что если за оптимизированным участком, находится участок с равномерным слоем материала 101 (3 и более длины радиуса инструмента), то предоптимизированный участок необходимо рассмотреть более детально, разбив его на микроучастки. Какая не была бы криволинейная траектория движения инструмента, в конечном итоге она все равно приводится к ломаной линии, поэтому интерполирование рабочего хода машины неизбежно. Следовательно, любой участок можно разбить на линейные перемещения. Исходя из этого, существует возможность создать более сложные зависимости. При рассмотрении современных CAM-систем становится, очевидно, что возможно определить начальную точку врезания инструмента в любом кадре, а так же следующую точку врезания в новом кадре. Исходя из этих значений, можно построить траекторию движения инструмента. Если траектория инструмента будет задана nurbs-кривой, то её возможно экстраполировать, сводя задачу к предыдущей. На рисунке 3.3.4 представлена зависимость частоты вращения шпинделя от диаметра режущей части инструмента. По данной зависимости можно определить значение частоты вращения шпинделя, допустимое для обработки поверхности.
Апробация метода повышения производительности обработки сложнопрофльных поверхностей на примере изготовления тестовой детали «Крыльчатка»
Для того, что бы оценить влияние предлагаемого метода повышения производительности обработки сложнопрофильных поверхностей на обеспечение требуемой шероховатости, были проведены измерения микрогеометрии поверхностей эталонной детали и детали, полученной по оптимизированной УП.
Результаты измерения микрогеометрии поверхности эталонной детали по параметрам шероховатости представлены в таблице 4.3, где Pro4 – это УП изготовления эталонной детали. Остальные программы получены путем оптимизации программы Pro4 при разных условиях.
Результаты позволяют утверждать, что после обработки заготовки по оптимизированной УП Pro4 opt, полученной при работе VERICUT в режиме обучения, наблюдается улучшение микрогеометрии по параметрам Ra и Rz, и небольшое повышение производительности. Так же оператором станка было отмечено, что станок был менее шумным, чем при обработке по программе без оптимизации.
После обработки заготовки по УП Pro4Fz, оптимизированной по подаче на зуб, наблюдается незначительное ухудшение параметров Ra и Rz, которые впрочем, с технологической точки зрения находятся в пределах погрешности, но при этом получаем существенный прирост производительности порядка 25%. Однако общеизвестно, что стандартные параметрические критерии оценки шероховатости не могут достоверно описать характер получаемого микрорельефа поверхности. Поэтому дополнительно был использован непараметрический подход к оценке шероховатости поверхности. Полученные результаты представлены на рисунке 4.2.10, а именно функции распределения ординат и тангенсов углов наклона.
По данным графикам можно сделать вывод о том, что характер изменения микрогеометрии эталона и тестовых образцов практически не меняется. Это позволяет сделать вывод о том, что качество поверхностного слоя после оптимизации не изменилось.
Кроме шероховатости поверхностей необходимо также проконтролировать их геометрическую точность. С учетом того, что лопасти исследуемого изделия имеют сложную геометрическую форму, контролировать точность поверхностей такого типа можно только при помощи координатно-измерительных машин (КИМ).
Для определения положения контролируемой детали на столе КИМ нужно иметь плоскость, прямую и точку. Прямая и плоскость были измерены на детали, а точка создана путем пересечения оси цилиндра и плоскости. Перед созданием СКД нужно провести анализ определенных элементов, чтобы уменьшить погрешность измерения. В случае с крыльчаткой были проанализированы углы между осью цилиндра и перпендикулярной ей плоскостью.
Для создания СКД необходимо, чтобы угол между осью цилиндра и плоскостью был равен 90 градусов. Анализ показал, что более подходящей плоскостью для базирования является плоскость 3, так как именно в этом случае угол более приближен к 90. На рисунке 4.2.11 показаны элементы, используемые при создании общей системы координат.
В качестве тестовой детали был взят усеченный конус, эскиз которого представлен на рисунке 4.3.1, а чертеж – в приложении (6) Трехмерная модель тестовой детали, созданной в программе CAD/CAM/CAE среде CATIA, представлена на рисунке 4.3.2. Исходной заготовкой для изготовления детали был принят цилиндр диаметром 40 мм (см. рисунок 4.3.3). Во всех случаях глубина резания не превышала 3 мм на сторону. Таким образом, получилась деталь, изображенная на рисунке 4.3.4. Технологически деталь получается простой токарной операцией. В данном случае не рассматривалась подрезка торца заготовки или же какие-либо другие операции. Хотя дополнительные операции были, но они не учитывались в общем времени.
На следующем шаге было проверено, какое время затрачивается на обработку заготовки по исходной УП при условии сохранения постоянства скорости резания. Время обработки осталось таким же, как и в первом случае – 10 с. То есть, производительность обработки почти не изменилась.
Сравнение результатов обработки представлено на рисунке 4.3.6 и в таблице 4.4. Таким образом, управляющая программа, разработанная с использованием предлагаемого метода повышения производительности токарной обработки фасонных и криволинейных поверхностей, позволяет сократить машинное время обработки и повысить производительность.
Для оценки влияния предлагаемого метода повышения производительности токарной обработки фасонных и криволинейных поверхностей на обеспечение требуемой шероховатости, на профилографе-профилометре HOMMELWERKE TESTER T8000 (см. рисунок 4.3.7) были проведены измерения микрогеометрии поверхностей эталонной детали, деталей, полученных по УП с разными параметрами обеспечения постоянства скорости резания, и детали, полученной по оптимизированной УП.