Повышение эффективности фрезерования крупногабаритных фасонных деталей на основе автоматизированного управления режимами резания: на примере гребных винтов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Рохин, Олег Викторович

• Рохин, Олег Викторович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Рохин, Олег Викторович

Обозначения и сокращения.

Введение.

1 Анализ научно-технической литературы, посвященной подходам к проектированию механической обработки гребных винтов, как типового представителя семейства крупногабаритных деталей.

1.1 Объект исследования - гребной винт и классификация его видов

1.2 Основные особенности формообразования поверхностей гребного винта, анализ типового процесса фрезерования и постановка задачи исследования.

2 Разработка методики по созданию конструкторской модели крупногабаритной фасонной детали и методики автоматизированного рационального распределения припусков и управления глубиной резания

2.1 Общие положения многоуровневой модели.

2.2 Методика создания конструкторской теоретической модели гребного винта (виртуальной геометрической модели).

2.3 Основные этапы, техническое и программное обеспечение для создания измеряемой модели винта.

2.4 Методика автоматизированного рационального распределения припусков заготовки и управления глубиной резания.

3 Теоретические положения и методика по корректировке подачи и скорости фрезерования в зависимости от изменения глубины резания при неравномерном припуске.

3.1 Корректировка подачи фрезерования.

3.2 Корректировка скорости фрезерования.

4 Экспериментальное исследование разработанных методик.

4.1 Создание конструкторских моделей лопастей.

4.2 Рациональное распределение припусков заготовки и управления глубиной резания.

4.3 Корректировка подачи и скорости фрезерования в зависимости от изменения глубины фрезерования.

4.4 Основные результаты эксперимента.

5 Расчет сравнительной экономической эффективности автоматизированного управления режимами резания в зависимости от глубины резания.

5.1 Направление оценки экономичности предложенного варианта

5.2 Расчет роста производительности и себестоимости для базового и предложенного варианта фрезерования.

5.3 Расчет капитальных вложений.

5.4 Расчет сравнительной экономической эффективности и срока окупаемости при внедрении предложенных методик.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности фрезерования крупногабаритных фасонных деталей на основе автоматизированного управления режимами резания: на примере гребных винтов»

Для современного машиностроения характерно использование сложнопрофильных фасонных крупногабаритных деталей, форма которых определяется не сочетанием традиционных поверхностей типа плоскостей, цилиндров или конусов, а сочетанием поверхностей, которые задаются не аналитически, а совокупностью находящихся на них точек. Примером такого рода деталей, ограниченных точечно-заданными поверхностями, являются гребные винты (водяные и воздушные) [1], турбинные лопатки, штампы для листовой штамповки, применяемые в автомобильной промышленности, части корпусных оболочек в судостроении и в самолетостроении, волноводы, различного рода копиры и т.д.

Главный путь повышения эффективности механической обработки таких деталей - наиболее полное использование машинного времени, т.е. работа с наибольшей производительностью, когда выпуск деталей в единицу времени максимален. Этот путь в настоящее время связан с применением современных станков с целью повышения производительности [2]. Однако затраты на современный станок только тогда имеют смысл, когда приведут к такому совершенствованию производства, что в последующие годы не только окупятся, а начнут приносить прибыль.

Фрезерованию фасонных деталей, например гребных винтов, сопутствует ряд неблагоприятных факторов. К ним относятся - низкая жесткость системы СПИД, высокопрочный материал заготовок, сложная траектория движения инструмента, а также переменная глубина резания, вследствие неравномерности распределения припусков заготовки. Когда глубина резания существенно возрастает, то происходит значительное увеличение сил резания, что в сочетании с невысокой жесткостью системы СПИД, может привести к возникновению вибраций [3], а также к работе станка с мощностью превышающей расчетное значение. Когда глубина резания уменьшается, то потребляемая мощность становится меньше расчетной, что приводит к нерациональному использованию машинного времени, т.е. работе с меньшей производительностью.

Поэтому, повышение эффективности процесса механической обработки крупногабаритных фасонных деталей, может быть выполнено не только путем покупки нового оборудования, но и за счет рационального автоматизированного управления глубиной резания, значения которого могут быть использованы для корректировки подачи и скорости фрезерования. Такой подход позволит найти компромисс между высокой производительностью, надежной безаварийной работой станка и сохранением стойкости инструмента.

Совокупность САПР и информационного массива «облака точек», полученного с координатно-измерительной машины (КИМ), представляют возможности по автоматизации управления глубиной резания при фрезеровании сложнопрофильных поверхностей. Это реализуется на базе цифровой имитации [4] теоретической конструкторской модели и реально обрабатываемого гребного винта. Такой подход на всех этапах производственного процесса позволит осуществить целенаправленный поэтапный контроль точности геометрии, управлять глубиной резания в точках управляющей программы, своевременно вносить корректировки в параметры подачи и скорости. Помимо этого, такой подход позволит предотвратить потенциальные столкновения при фрезеровании на станке с ЧПУ, так как инженер-программист при разработке программы будет обладать информацией не только о теоретической модели, но и цифровой информацией о геометрии реального гребного винта с учетом припуска по его поверхностям.

Понятно, что такая методика управляет фрезерованием для полного исключения брака, достижения максимального соответствия между теоретической конструкторской моделью и реальным винтом с заданными показателями фрезерования (например стойкостью инструмента) и высокой производительностью, избегая при этом дорогостоящих повреждений системы СПИД.

Основные принципы автоматизированного процесса подготовки производства гребного винта были сформулированы в середине 70-х годов двадцатого столетия [5]. В 80-е годы исследователи работают над автоматизацией математического представления поверхностей гребного винта [1, 6] и автоматизацией программирования процессов обработки гребных винтов на станках с ЧПУ [7, 8]. Однако решение оптимизационных задач по минимизации полного станочного времени связано с большими трудностями, так как технологу-программисту приходится перебирать варианты решений и вводить в систему в качестве исходных данных до получения удовлетворительного результата.

В настоящее время при решении задач по фрезерованию фасонных деталей используются САПР высшего уровня в совокупности с системой автопрограммирования УП для многокоординатных специализированных станков. Однако возможности САПР используются не полностью, операции контроля геометрии незначительно автоматизированы, что приводит к доминирующему влиянию субъективного фактора при выборе параметров фрезерования. При решении задач контроля геометрии гребного винта, на разных стадиях изготовления, преобладают неавтоматизированные, затратные по времени операции обмера, разметки и определения межоперационных припусков. Это приводит к росту трудоемкости, снижению точности процесса механической обработки и невысокой точности прогноза по величине обрабатываемых припусков. В свою очередь, неточно прогнозируемая величина припуска отрицательно сказывается на стойкости инструмента, надежности станка и может привести к аварийной ситуации в силу нестабильности энерго-силового поля сил резания.

Поэтому работа посвящена созданию методик автоматизированного управления глубиной резания, корректировки подачи и скорости фрезерования в зависимости от глубины резания, позволяющих повысить эффективность фрезерования за счет наиболее полного использования машинного времени.

Диссертационная работа выполнена за счет наиболее полного использования возможностей современных САПР и средств автоматизированного контроля, которые позволяют моделировать и корректировать параметры фрезерования.

При выполнении работы использованы основные положения теории проектирования гребных винтов с использованием аппарата дифференциальной геометрии, численных методов, теории резания, теории формообразования, математических методов обработки экспериментальных данных.

Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка использованных источников.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Рохин, Олег Викторович

7. Основные результаты работы используются на винтообрабатывающем производстве ФГУП "МП "Звездочка": при разработке трехмерных моделей гребных винтов с использованием САПР UG, при формировании управляющих программ фрезерной обработки, при проведении контрольных операций всех видов и выпуска электронных паспортов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Рохин, Олег Викторович, 2007 год

1. Гребные винты. Современные методы расчета / В.Ф. Бавин, Н.Ю. Завадовский, Ю.В. Левковский, В.Г. Мишкевич. JL: Судостроение, 1983. - 296с.

2. Andrae P. High-Efficiency Machining // Manufacturing engineering-2000.-Vol.l25/No 4, pp. 82-96.

3. Бармин Б.П. Вибрации и режимы резания.- М. Машиностроение, 1972.-56с.

4. Ли К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE). СПб.: Питер, 2004. - 560 с. 439

5. Завадовский Н.Ю. Автоматизированная система проектирования и изготовления гребных винтов // Вопросы судостроения. 1974. - Вып.5. - С.10-18.

6. Завадовский НЛО., Масленников С.С., Русецкий А.А. Методы математического представления сложных поверхностей и их приложения (новые результаты) //Тр.13-го научно-методического семинара по гидродинамике судна. 1984. - Т.З. - С. 1-8.

7. Аллик Р.А., Ешкилев Ю.В., Кудряшов Р.Д. Автоматизация программирования процессов обработки гребных винтов на станках с ЧПУ // Вопросы судостроения. 1983. - Вып.ЗЗ.- С.41-62.

8. Карпушов В.М., Кудряшов Р.Д. Система автоматизированной подготовки управляющих программ обработки деталей сложной формы //Технология судостроения. 1991. - №7 - С.8-10.

9. Дружинский И. А. Методы обработки сложных поверхностей на металлорежущих станках. М.-Л.: Машиностроение, 1965.- 600с.

10. Производство гребных винтов. Справочник. И.И. Богораз, И.М. Кауфман. Л.: Судостроение, 1978, с. 192

11. ГОСТ 8054-81 Винты гребные металлические. Общие технические условия- М.: Госстандарт, 1998.

12. Международный стандарт ИСО 484/1-81 Судостроение. Судовые гребные винты. Допуски на изготовление. Часть 1. Гребные винты диаметромболее 2,5 м-М.: Госстандарт, 1983.

13. OCT 5Р.9285-95 Отливки стальные. Классификация и технические требования.

14. ТУ 5.961-11215-99 Винты гребные из сплавов на медной основе. Технические условия.

15. ГОСТ 977-88 Отливки стальные. Общие технические условия- М.: Госстандарт, 1989.

16. РД5Р.95089-93 Стали и сплавы коррозионностойкие. Режимы резания при фрезеровании на станках с ЧПУ.

17. Дружинский И.А. Сложные поверхности: Математическое описание и технологическое обеспечение: Справочник. Д.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985. -263с.+

18. Радзевич С.П. Повышение эффективности эксплуатации многокоординатных станков с ЧПУ.- М., 1989. 72 с. - ( Машиностроит. пр-во. Сер. Технология и оборудование обработки металлов резанием: Обзор информ./ВНИИТЭМР. Вып.2).

19. Радзевич С.П. Прогрессивные технологические процессы обработки деталей сложной формы. М.,1988.- 56 е.- ( Технология, оборуд., орг. и экон. машиностр. пр-ва Сер.6. Прогрессивные технологические процессы в машиностроении: Обзор информ./ВНИИТЭМР. Вып.5).

20. Радзевич С.П. Способы фрезерования фасонных поверхностей деталей. М.,1989.- 72 е.- (Машиностроит. пр-во. Сер. • Прогрессивные технологические процессы в машиностроении: Обзор информ./ВНИИТЭМР. Вып.5).

21. Развитие науки о резании металлов /В.Ф. Бобров, Г.И. Грановский, Н.Н. Зорев и др. М.: Машиностроение, 1967, 416 с.

22. Розенберг Ю.А., Тахман С.И. Повышение точности обработки на копировально-фрезерных станках с ЧПУ//Станки и инструмент, 1973, №9.- С.41-45.

23. САПР изделий и технологических процессов в машиностроении /Р.А. Аллик, В.И.Бородянский, А.Г.Бурин и др.; Под общ. ред. Р.А. Аллика. JL: Машиностроение, 1986. -319с.147

24. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов.- М.:Машиностроение, 1975.-344с. 20

25. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов. М.: Высшая школа, 1985.-304 с.

26. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2002. -336с. 250

27. Денисов В.А. Критерии выбора принципиальной схемы фрезерования// Проблемы корабельного машиностроения: Сборник докладов научн.-практ. конф. Выпуск 4,- Северодвинск: РИО Севмашвтуза,2005. С.38-41.

28. Кремлева J1.B. Моделирование динамики многокоординатного фрезерования поверхностей гребных винтов //Проблемы корабельного машиностроения: Сборник докладов научн.-практ. конф. Выпуск 4.-Северодвинск: РИО Севмашвтуза,2005. С.51-58.

29. Instruction manual for vertical and turning mill model TDP 70/110. Tokyo, Japan: Toshiba Machine CO. LTD, 1982.

30. Решетов Д.Н., Портман В.Т. Точность металлорежущих станков. — М.: Машиностроение, 1986. 336 с.

31. Каменев В.А., Шифрин А.Ш. Режущие инструменты для производительной обработки гребных винтов на станках с ЧПУ //Технология судостроения. 1982. - №3 - С.23-27.

32. Каменев В А. Комплексное обеспечение винтообрабатывающих станков сЧПУ режущим инструментом //Технология судостроения. 1984. - №1 -С.61-65.

33. Каменев В.А. Обрабатываемость сталей и сплавов, применяемых в производстве гребных винтов //Технология судостроения. 1991. - №7 — С.31-35.

34. Andrae P. High-Efficiency Machining //Manufacturing Engineering.-2000.-Vol.l25/No4.-P.82-96.

35. Waurzyniak P. Maximum Efficiency //Manufacturing Engineering.-2005.-Vol.l34/No5.-P.145-154.

36. Технический справочник от Sandvik Coromant. Руководство по металлообработке. 2006.

37. NX 3 Documentation Электронный ресурс. Электрон, дан. - UGS Corp., 2004. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). - Загл. с этикетки диска.

38. Hartzel Propeller Manufacturing Электронный ресурс. — Электрон, дан. -Режим доступа: http://www.hartzeHprop.com/rnanufacturing/indexmanufacture.htm. Загл. с экрана.

39. Australl Propeller Со Электронный ресурс. Электрон, дан. - Режим доступа: http://www.australpropeller.com.au/manufacturing.htm. - Загл. с экрана.

40. Высокопроизводительная обработка металлов резанием. М.: Полиграфия, 2003.-301 с.

41. Рохин О.В. Разработка и реализация конструкторско-технологической многоуровневой модели гребного винта //Проблемы корабельного машиностроения: Сборник докладов научн.-практ. конф. Выпуск 4.-Северодвинск: РИО Севмашвтуза,2005. С.59-63.

42. Скворцов А.В. Параллельный инжиниринг при обратном проектировании технологических операций механообработки //Вестник машиностроения. 2005. - №12. - С.47-50.

43. Скворцов А.В. Экономический анализ при технологическом проектировании с использованием САПР //Вестник машиностроения.2005. №10-С.71-74.

44. Халфун J1.M. Ускорение технологической подготовки производства изделий //Вестник машиностроения. — 2003. №9 - С.59-62.

45. Карлова Т.В. Обеспечение качества продукции в автоматизированных машиностроительных производствах //Вестник машиностроения. — 2004. №9 - С.76-78.

46. Колыбенко Е.Н., Колесникова J1.B. Подход к информационному отображению технологической системы производства //Вестник машиностроения. — 2002. №12. - С.47-52.

47. Рохин О.В., Кремлева JI.B. Информационная конструкторско-технологическая модель гребного винта //«100 лет Российскому подводному флоту»: Тез. докл. науч.-прак. конф. Северодвинск, ФГУП «МП «СЕВМАШ», 2006. -С31-32.

48. Leu М. Интерактивное виртуальное объёмное моделирование обрабатываемой детали //Annals of CIRP. 2005. - V.54/№ 1 - P. 131 - 134.

49. What's New in Unigraphics VI6.0. User Guide. MU10845 Unigraphics Solutions Inc., 13736 Riverport Drive, Maryland Heights, MO, USA, 1999 -336 p.

50. Кремлева JI.B., Рохин О.В., Денисов В.А. Электронная конструкторская модель гребного винта //Информационные технологии в науке, образовании и промышленности: материалы международной научно-технической конф. Архангельск: АГТУ. - С. 141-145.

51. ElMarghy W. Встроенная контрольно-измерительная система и система обработки для обеспечения максимального соответствия получаемых деталей конструктивным допускам //Annals of CIRP. 2004. - V.53/№ 1Р.411 -416.

52. Zhou Z. Геометрическое моделирование обработки на станках с ЧПУ путем использования стереотопографических моделей //Annals of CIRP. -2003.-V.52/№ 1 -P.129-134.

53. Maropoulos P. Новая методика проектирования сложных изделий //Annals of CIRP. 2003. - V.52/№ 1 - P.3 89-392.

54. Estler W. Современные возможности и особенности измерения крупногабаритных деталей //Annals of CIRP. 2002. - V.51/№ 2 - P.587-610.

55. Schwenke H. Оптические методы измерений в машиностроении: их возможности и перспективы //Annals of CIRP. 2002. - V.51/№ 2 - P.685-700.

56. Lonardo P. Тенденции, возникающие при измерениях параметров поверхностей //Annals of CIRP. 2002. - V.51/№ 2 - P.701-719.

57. Zhang С. Разработка интеллектуальной координатно-измерительной машины //Annals of CIRP. 2002. - V.51/№ 1 - P.437-442.

58. Portable CMMs Speed Turbomachinery Repair//Manufacturing Engineering.-2003.-V. 13 l/No4.-P. 145-154.

59. Imageware, a Unigraphics product Электронный ресурс. Электрон, дан. - Unigraphics Solutions, Inc., 2002. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). -Загл. с этикетки диска.

60. ГОСТ 21495-76 Базирование и базы в машиностроении. Термины и определения-М.: Госстандарт, 1982.

61. Destefani J. Form and Contour Measurement 101 //Manufacturing Engineering.- 2004.-V. 132/No 1 .-P. 145-154.

62. Кремлева JI.B. Рохин O.B. Методика оценки точности гребных винтов при их изготовлении //Проблемы корабельного машиностроения: Сборник докладов научн.-практ. конф. Выпуск 2.- Северодвинск: РИО Севмашвтуза, 2003. С.6-10.

63. Кремлева JI.B., Рохин О.В. Автоматизация контрольно-измерительных операций при изготовлении гребных винтов //Современные проблемы машиностроения. Труды II Международной научно-технической конф. -Томск: Изд-во ТПУ, 2004.- С.296-299.

64. Соломенцев Ю.М., Митрофанов В.Г., Протопопов С.П. Адаптивное управление технологическими процессами. М.: Машиностроение, 1980. 326 с.

65. Подураев В.Н. Автоматически регулируемые и комбинированные процессы резания. М.: Машиностроение, 1977. 304 с.

66. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. М.: Машиностроение, 1976. 278 с.

67. Гольдин Я.Г., Дронов В.В., Рубашкин И.Б. Адаптивная система оптимизации режима фрезерования // Станки и инструмент. 1975. - №1. - С.18-20.

68. Старков В.К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве. М.: Машиностроение, 1989. 296 с.

69. Кабалдин Ю.Г., Биленко С.В., Серый С.В. Управление динамическими процессами в технологических системах механообработки на основе искусственного интеллекта. Комсомольск-на-Амуре: ГОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре: ГТУ», 2003. 201 с.

70. Кабалдин Ю.Г., Биленко С.В., Шпилев A.M. Построение перспективных систем управления металлорежущими станками на основе самоорганизации и принципов искусственного интеллекта //Вестник машиностроения. 2002. - №6 - С.59-65.

71. Кабалдин Ю.Г., Серый С.В., Биленко С.В. Адаптивное управление технологическими системами механообработки на основе искусственного интеллекта //Вестник машиностроения. 2004. - №6 - С.46-48.

72. Маленецкий Г.Г., Потапов А.Б. Современные проблемы нелинейной динамики / М.: УРСС, 2000. 336 с.

73. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.2 /Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. М.: Машиностроение, 1985. - 496 с.

74. Рохин О.В. Фрезерование поверхностей крупногабарит