Повышение эффективности обработки деталей на основе моделирования и управления движениями формообразования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, доктор технических наук Искра, Дмитрий Евгеньевич

• Искра, Дмитрий Евгеньевич
• доктор технических наук
• 2007

Оглавление диссертации доктор технических наук Искра, Дмитрий Евгеньевич

Введение

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования

1.1. Понятие точности формообразования (на примере токарной обработки).

1.2. Экспериментальные методы испытаний и диагностики металлорежущего оборудования

1.3. Цель работы и задачи исследования.

Глава 2. Моделирование движений формообразования и построение геометрического образа изделий

2.1. Геометрические образы обрабатываемых поверхностей детали

2.2. Теоретическое построение геометрического образа (без учета деформации технологической системы)

2.3. Моделирование микрогеометрии (шероховатости) обработанной поверхности

2.4. Выводы

Глава 3. Применение винтового исчисления при моделировании движения формообразования (с учетом деформаций технологической системы)

3.1. Задачи моделирования

3.2. Торцевое фрезерование плоских поверхностей

3.3. Моделирование растачивания цилиндрических отверстий

3.4. Моделирование точения цилиндрических деталей

3.5. Выводы

Глава 4. Экспериментальные исследования точности формообразования и разработка устройств управления формообразующими траекториями

4.1. Экспериментальное построение геометрического образа детали

4.2. Экспериментальные измерения траекторий формообразующих элементов на токарном станке

4.3. Разработка устройств управления формообразующими траекториями токарного станка

4.4. Выводы

Глава 5. Выбор оптимальных параметров технологических операций

5.1. Формирование критерия оптимальности

5.2. Оптимизация технологического процесса

5.3. Параметрическая оптимизация технологического перехода

5.4. Выводы 221 Общие выводы и результаты 222 Приложения 224 Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности обработки деталей на основе моделирования и управления движениями формообразования»

Современный этап развития машиностроения характеризуются значительным ростом объема, номенклатуры и резким повышением требований к качеству изделий.

Создание прочной материально-техническая базы, прогресс научных исследований, обеспечение возрастающих потребностей общества в основе своей предусматривают непрерывное повышение качества и производительности всех без исключения видов технологических процессов.

Отсюда автоматизации и управлению технологическими процессами и производствами отводится особо важная роль, так как именно этой отрасли науки и производства приходится непосредственно заниматься решением этих актуальных задач в машиностроении, имеющем значительный удельный вес в экономике всей страны.

В общем объеме механической обработки на долю изготовления корпусных деталей и деталей типа тел вращения приходится около 35%. Технологические возможности станков в обеспечении качества обработки зависят, прежде всего, от траекторий формообразующих элементов. В процессе обработки детали станок подвергается интенсивному воздействию целого комплекса эксплуатационных нагрузок, имеющих случайную природу, вследствие чего траектории формообразующих элементов изменяются в широких пределах, что в свою очередь ведет к изменению формы детали и ее показателей точности. Опыт эксплуатации станков показывает, что наибольшее влияние на точность обработки деталей оказывают динамические процессы, изменяющееся тепловое состояние станка и износ основных узлов.

В последнее время разработана методика экспериментальных исследований, когда на основе измерения траекторий оси детали и вершины инструмента строится виртуальная деталь, по которой определяются необходимые показатели точности. Использование этого способа делает возможным с высокой точностью контролировать изменение траекторий формообразующих элементов и разрабатывать методы воздействия на технологическое оборудование с целью повышения точности обработки деталей.

Траектории формообразующих элементов зависят от многих конструкционных, технологических и эксплуатационных факторов, а, следовательно, их можно изменять используя различные виды воздействия.

Таким образом, разработка методов и устройств, позволяющих моделировать и управлять траекторией формообразующих элементов при обработке, является актуальной проблемой, имеющей важное производственное значение.

Новым в работе является:

- понятие геометрического образа обрабатываемой поверхности детали;

- механические модели технологических систем для определения показателей точности поверхностей детали (макро- и микрогеометрии);

- системы для экспериментального измерения траектории оси детали и вершины инструмента;

- программное обеспечение по расчету показателей точности обработанной детали на основе результатов измерений траекторий формообразующих элементов;

- методы и устройства для управления траекториями формообразующих элементов станка с целью повышения точности обработки на основе управления траекториями формообразующих элементов станка;

- методика выбора оптимальных параметров технологических операций.

Областью приложения предлагаемых разработок выбрано оборудование для мелкосерийного и единичного производства деталей. Этот 6 выбор объясняется большим удельным весом данного типа производства и его спецификой, отличной от массового производства, где обычно проектируется специальное оборудование, учитывающее конфигурацию детали и от серийного производства, где широко применяются типовые технологические наладки.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Искра, Дмитрий Евгеньевич

Общие выводы и результаты

1. Введено конструктивное определение понятия «геометрический образ поверхности или изделия».

2. Разработана математическая модель формирования геометрических образов на основе кинематического представления формообразующих движений на станках.

3. Получены формулы для расчета шероховатости обработанной поверхности при различных процессах резания.

4. В результате изучения процесса образования размера детали и представления его как объекта управления выявлены и классифицированы переменные процесса.

5. Разработано математическое обеспечение моделирования процесса обработки, позволяющее преобразовать случайные величины, характеризующие положение и размеры поверхностей заготовки, в случайные величины или их оценки, характеризующие положение и размеры поверхностей детали. Алгоритмы основаны на координатном представлении поверхностей детали, участвующих в технологическом процессе, и на моделировании нестационарных силовых зависимостей.

6. Показана эффективность применения винтового исчисления для моделирования движений формообразования с учетом деформаций технологической системы.

7. Рассмотрены особенности моделирования для фрезерования, растачивания и точения на многоцелевых станках.

8. Разработаны математические модели для расчета геометрического образа в поперечном сечении обрабатываемой детали.

9. На основе разработанных алгоритмов расчета создана методика, которая позволяет производить на основе результатов измерений перемещений оси детали и вершины резца расчет и построение геометрического образа обрабатываемой поверхности и определить регламентированные показатели точности поперечного сечения детали.

10. Разработана методика расчета и построения прилегающей окружности, которая используется при расчете показателей точности поперечного сечения детали.

11. Создана система оценки точности изготовления деталей, которая на основе экспериментальных измерений строит геометрический образ обработанной поверхности и рассчитывает регламентированные показатели точности.

12. Технологическую систему как объект управления необходимо характеризовать кортежем входных параметров, описывающих состояние заготовки, кортежем выходных параметров, описывающих состояние обработанной детали, кортежем управляющих воздействий, кортежем показателей процесса обработки, критерием оптимальности.

13. Математическая модель процесса обработки, установившая связь между случайными характеристиками входа и выхода технологической системы, привела к постановке задачи параметрической оптимизации как задачи стохастического программирования со смешанными условиями, что позволило учесть случайный характер переменных технологического процесса.

14. Решение задачи параметрической оптимизации установило функциональную связь между оптимальными значениями критерия и режима, с одной стороны, и входными и выходными переменными технологической системы, с другой, что позволяет проводить подробный технико-экономический анализ процесса обработки.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Искра, Дмитрий Евгеньевич, 2007 год

1. Авдулов А.Н. Построение системы прилегающих поверхностей.// Измерительная техника. -1983.-№3.-с.46-47.

2. Аверченко П.А. Технология конструкционных материалов: Киев. Высшая школа. 1984 112с.

3. Авторское свидетельство №724321, СССР B23Q 15/00 1980.№12. Ситко В.Г. Способ автоматического регулирования точности обработки цилиндрической поверхности.

4. Авторское свидетельство SU№1355452, B23Q 15/00.Бюллетень 1987, №44. Чебоксаров В. В., Мишенко С. К. Способ механической обработки и устройство для его осуществления.

5. Аполлонов Ю.С. испытательно-диагностический центр и Сертификация технологического оборудования. // вестник машиностроения. -1991.-№4. -с.33-36.

6. Аршанский М.М., Щербаков В.П. Вибродиагностика и управление точностью обработки. -М.: Машиностроение, 1988.-134с.

7. Ачеркан Н.С. Расчет и конструирование металлорежущих станков. -М.:Машгиз, 1952.-746с.

8. Базров Б.М. Технологические основы проектирования самоподнастраивающихся станков-М.: Машиностроение, 1978.-216с.

9. Балакшин Б.С., Базров Б.М. Адаптивное управление станками. М.: Машиностроение, 1973 с.

10. Бальмонт В.Б., Горелик И.Г., Фигатнер A.M. Расчеты высокоскоростных шпиндельных узлов. М.: ВНИИТЭМР, 1987.- 52с.

11. Бармин В.В. Вибрации и режимы резания. М.: Машиностроение, 1977. 68 с.

12. Беляев В.Г. Расчет механической части привода подач станков с ЧПУ.//СТИН. 1982. -№3. - С.11 - 14.

13. Бушуев В.В. Гидростатическая смазка в тяжелых станках. -М.: Машиностроение, 1979. 88с.

14. Васильков Д.В., Вейц B.JL, Щевченко B.C. Динамика технологической системы обработки. Санкт-Петербург, 1997.

15. Вейц B.J1. Динамика машинных агрегатов. -JL: Машиностроение, 1969.

16. Волосов С.С. Активный контроль размеров. М.: Машиностроение, 1984. 224 с.

17. Врауко JI. Точность обработки металла на токарных станках.

18. Головатенко В.Г., Скорыпин Ю.В., Минченя Н.Т. Способ повышения точности вращения вала ротора электрошпинделя. //СТИН. - 1983. -№6.-с.15 -16

19. Городецкий Ю.И. Повышение виброустойчивости и производительности вертикально фрезерных консольных станков. //СТИН. - 1982. - №8. - с. 9 - 12.

20. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. Ленинград: Энергоатомиздат, 1990. - 287 с.

21. Далинский Е.Ф. Обработка результатов измерений. Издательство стандартов, 1973. - 56 с.

22. Дальский A.M. Технологическое обеспечение надежности высокоточных деталей машин. М.: Машиностроение, 1975. - 224 с.

23. Детали и механизмы металлорежущих станков. В 2 т. / Под ред. Д.Н. Решетова. М.: Машиностроение, 1972. Т. 1. 664 с.

24. Дикушин В.И. Основные данные для проектирования металлорежущих станков. Энциклопедический справочник «Машиностроение», Т. 9. М.: Машгиз, 1949. - с. 48 - 116

25. Дмитриев Б.М., Шумейко Е.А. Оценка возможностей станка по обеспечению точности геометрических параметров. //СТИН. 1978. -№5.-с. 6-7

26. Ерошенко И.П. Обеспечение точности токарной обработки по результатам прогнозирования геометрического образа детали. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: 2000.- 142 с.

27. Заковоротный B.JL, Бородачев Е.В., Алексейчик М.И. Диагностический мониторинг состояния процесса резания. //СТИН. -1998. -№12.-с.6-13.

28. Иванников С.Н. Обеспечение качества процесса токарной обработки путем управления параметрической надежностью шпиндельных узлов токарного станка. // Исследования в области технологии машиностроения и сборки машин. Тула: ТулПИ, 1987. с. 104-111

29. Искра Д.Е. Исследование точности токарного станка МК 3002. Проектирование технологических машин. Сборник научных трудов. Выпуск 12 / Под ред. д.т.н., проф. А. В. Пуша - М.: МГТУ «Станкин»1998.-с. 55-57

30. Искра Д.Е. Методика измерения траекторий оси шпинделя. Проектирование технологических машин. Сборник научных трудов. Выпуск 14 / Под ред. д.т.н., проф. А. В. Пуша М.: МГТУ «Станкин»1999.-с. 41 -45

31. Искра Д.Е. Обработка деталей с высокой точностью на токарных станках с использованием устройства управления точностью. Качество машин. Тезисы докладов IV Международной научно -технической конференции (БГУ Брянск 2001) с. 160 162

32. Искра Д.Е. Программные испытания. Проектирование технологических машин. Сборник научных трудов. Выпуск 13 / Под ред. д.т.н., проф. А. В. Пуша М.: МГТУ «Станкин» 1999. - с. 56 - 62

33. Искра Д.Е. Устройство для повышения качества фрезерования. Комплексное обеспечение качества транспортных и технологических машин. Сборник статей VI Международной научно технической конференции. - Пенза 2000. (ПГУ) с. 187 - 188

34. Искра Д.Е. Устройство управления точностью обработки деталей. Проектирование технологических машин. Сборник научных трудов. Выпуск 17 / Под ред. д.т.н., проф. А. В. Пуша М.: МГТУ «Станкин» 2000. - с. 65 - 66

35. Исследование колебаний металлорежущих станков при резании металлов. / Под ред. В.И. Дикушина и Д. Н. Решетова. М.: Машгиз, 1958.-294 с.

36. Кабалдин Ю.Г. Шпилев A.M. Самоорганизующиеся процессы в технологических системах обработки резанием. Диагностика, управление Владивосток: Дальнаука, 1998. - 295 с.

37. Каминская В.В. Расчет колебаний несущих систем станков, находящихся под действием импульсных возмущений. // СТИН. -1996. № 12 с. 1 - 8

38. Каширин А.И. Исследование вибраций при резании металлов. М. -Л.: Издательство АН СССР, 1994. - 129 с.

39. Кириллов В.К., Портман В.Т., Фискин Е.А. Точностная надежность шпиндельных узлов. //СТИН. 1978. - №5. - с. 11 - 13

40. Клепиков С.Н., Заев В.В. Учет взаимодействия процессов различной скорости при прогнозировании качества и надежности шпиндельного узла. //СТИН. 1995. - №8. - с. 21 - 23

41. Колев К.С. Точность обработки и режимы резания. М.: Машиностроение, 1976. - 145 с.

42. Копылов Jl.В. Методы уточненного расчета сборочных размерных цепей с учетом динамических и температурных факторов. М.: МАМИ, 1986.

43. Копылов Л.В. Пакет прикладных программ для расчета надежности проектируемых технологических процессов. М.: МДНТП. 1986

44. Корсаков B.C. Точность Механической обработки. М.: Машгиз, 1961.-379 с.

45. Корчак С.Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей. М.: Машиностроение, 1974. 280 с.

46. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967. - 359 с.

47. Кушнир Э.Ф., Кузнецов С.Д., Ривкин В.А. Автоматизированный комплекс для динамических исследований станков в производственных условиях. //СТИН. 1988. - №7. - с. 14 - 15

48. Левин М.А. Прогнозирование параметров качества при мехобработке деталей. Севастополь: 1984. - 57 с.

49. Левина З.М., Решетов Д.Н. Контактная жесткость машин. М.: Машиностроение, 1971. - 264 с.

50. Лоладзе Т.Н. Износ режущего инструмента. - М.: Машгиз, 1958. -356 с.

51. Маталин A.A. Точность механической обработки и проектирование технологических процессов. Л.: Машиностроение, 1970. - 320 с.

52. Металлорежущие станки. / Под ред. Н.С. Ачеркана. М.: Машиностроение, 1965, т. 1 - 764 е., т. 2 - 628 с.

53. Металлорежущие станки: Учебник для машиностроительных ВТУЗов. / Пол ред. В.Э. Пуша. М.: Машиностроение, 1986. - 575 с.

54. Митрофанов В.Г. Определение параметров математической модели управления В кн.: Адаптивное управление станками./ Под ред. Б.С. Балакшинв М., Машиностроение 1973 с.499-511

55. Митрофанов В.Г. Связи между этапами проектирования технологического процесса изготовления детали и их влияние на принятие оптимальных решений. Докторская диссертация М., Мосстанкин 1980

56. Нахапетян Е.Г. Определение критериев качества и диагностирования механизмов. М.: Наука, 1977. - 140 с.

57. Павлов А.Г. Управление динамической точностью при обработке на станках. Красноярск: Издательство КУ, 1989. - 174 с.

58. Пархоменко П.П. Основы технической диагностики. М.: Энергия, 1981.-319 с.

59. Патент RU №2124419 Бюлл. 1999. №1. Пуш A.B., Юркевич В.В., Искра Д.Е. Устройство управления точностью обработки деталей

60. Патент RU № 2150374 Бюлл. 2000. № 16 Юркевич В.В., Искра Д.Е. Устройство для повышения качества фрезерования древесины.

61. Патент RU №2086385,B23Q15//00. Бюлл. 1997. №22. Абакумов A.M. Способ механической обработки.

62. Патент RU №2130826, В23 Q 15/007. Юркевич В.В., Кутин A.A. Устройство автоматического управления точностного токарного станка.

63. Перель Л.Я., Филатов A.A. Подшипники качения. Справочник. М.: Машиностроение, 1992. - с.

64. Полей М.А. Отклонения формы и расположения поверхностей. М.: Издательство Стандарт, 1965.- с.

65. Проников A.C. Программный метод испытания металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1985.- 288с.

66. Проников A.C. Точность и надежность станков с числовым программным управлением. -М.: Машиностроение, 1982.- 256с.

67. Пуш A.B., Ежков A.B., Иванников С.Н. Измерительно-диагностический комплекс для оценки качества и надежности станков. // СТИН. -1987.- №9,- с. 8 -12

68. Пуш A.B., Зверев И.А. Шпиндельные узлы: Проектирование и исследование. -М.: Издательство «Станкин», 2000.- 197с.

69. Пуш A.B. Многокритериальная оптимизация шпиндельных узлов. // СТИН. -1981.-№1.- с.9-12.

70. Пуш В.Э. Конструирование металлорежущих станков. -М.: Машиностроение, 1977.- 392с.

71. Пуш A.B. Оценка качества привода прецизионных шпиндельных узлов по областям состояний выходных параметров точности. // СТИН. -1985.-№2.- с. 12-15.

72. Пуш A.B. Прогнозирование тепловых смещений шпиндельных узлов. // СТИН. -1985.- №5,- с. 15-19.

73. Пуш A.B., Пхакадзе С. Д., Пьянов В Л. Прогнозирование точности обработки поверхностей. // СТИН. 1995.- №5.- с. 12-17.

74. Пуш A.B. Шпиндельные узлы: качество и надежность. -М.: Машиностроение, 992.- 288с.

75. Решетов Д.Н., Портман В.Г. Точноть металлорежущих станков.- М.: Машиностроение, 986.- 336с.

76. Салов И.Д. Контроль выходных параметров точности прецизионных металлорежущих станков. // СТИН . -1994.-№1.- с.8-12.

77. Селезнева В.В. Связь параметров траектории оси шпинделя с показателями качества детали. // СТИН. -1985.-№1.- с. 8-10.

78. Соколовский А.П. Точность механической обработки и пути ее повышения. М.: Машиностроение, 1951.- 488с.

79. Соломенцев Ю.М., Митрофанов В.Г., Протопопов С.П. и др. Адаптивное управление технологическими процессами. М.: Машиностроение, 1980.-536с.

80. Соломенцев Ю.М. Перспективы развития управления технологическими процессами. / Вестник машиностроения, -1980,-№10,- с.424.

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

82. Старостин В.Г. Исследование погрешности продольной формы и ее компенсация при токарной обработки валов и цилиндров. Владивосток: 1970- Автореферат кандидатской диссертации. 21с.

83. Тверской М.М. Автоматическое управление режимами обработки деталей на станках. М.: Машиностроение, 1982.- 208с.

84. Техническая диагностика металлорежущих станков. М.: Издательство ЭНИМС, 1988,- 96с.

85. Технические средства диагностирования. Справочник. / Под ред. В.В. Клюева. -М.: Машиностроение. -1989. 672 с.

86. Технология обеспечения качества продукции в машиностроении. / Под ред. Г.Д. Бурдуна и С.Ф. Волосова. -М.: 1975.

87. Точность и надежность станков с числовым программным управлением. / Под ред. А.С. Проникова. -М.: Машиностроение, 1982.- 256с.

88. Утенков В.М. Прогнозирование потери точности токарных станков при износе направляющих на базе ускоренного испытания опытных образцов. Канд. дисс. М.: МВТУ им. Баумана. 1981, -16с.

89. Фадеев Е.Ю. Повышение точности и параметрической надежности шпиндельных узлов станка. «Динамика технологических систем». Тезисы докладов. Ростов-на-Дону. Издательство ДГТУ. 1997.- с. 5860.

90. Фигатнер A.M., Плотрашке Р., Фискин Е.В. Исследование точности вращения шпинделя с радиальным шарикоподшипником. // СТИН. 1974.-№10.-с.19-22

91. Фигатнер A.M. Расчет и конструирование шпиндельных узлов с подшипниками качения металлорежущих станков. М.: НИИМАШ, 1971.-196с.

92. Флек М.Б., Долгов В.В. Заковоротный В.Л. Пути управления траекториями формообразующих движений. Проектирование технологических машин. Сб. науч. тр.-М.: из-во. "СТАНКИН" 1996г. Вып. 2.- стр.69-74.

93. Хомяков B.C., Минасян А.Н. Расчет динамических характеристик шпиндельных узлов станка. //СТИН. 1976.-№3-с.-5-7

94. Шлезингер Г. Качество поверхности. Пер. с англ. Под ред. А.И. Кашириной. -М.: Машгиз, 1947.-284с.

95. Шнейдер Ю.Г. Точность механической обработки. JT.: Изд-во ЛИТМО, 1984-47с.

96. Юркевич В.В. Использование геометрического образа обработанной поверхности при определении показателей точности детали //СТИН.-2000. №4.-с.8-10

97. Юркевич В.В. Определение точности обработки на токарном станке. //СТИН.-1999.№4-с. 15-17

98. Юркевич В.В. Параметрическая точность токарного станка //Вестник машиностроения, 1999.-№9.-с.30-32

99. Юркевич В.В., Искра Д.Е. Исследование работы шпиндельного узла. Тезисы докладов 5 Международной конференции по динамике технологических систем, том 2, Ростов на Дону, 1997, с.56-58.

100. Юркевич В.В. Способ диагностики токарных станков по параметрам точности и устройство для его осуществления. Патент №2123923,B23Q15/w

101. Юркевич B.B. Способ автоматического управления точностью токарного станка. Патент №2131802, B23Q15/007

102. Юркевич В.В. Кутин A.A. Устройство автоматического управления точностью токарного станка. Патент №2130826, B23Q15/007

103. Юркевич В.В. Устройство диагностики токарных станков по параметрам точности изготавливаемой детали. Патент №2154565, B23Q15/007

104. Юркевич В.В., Чигинов Д.А., Искра Д.Е. и др. Прогнозирование точности детали в процессе ее изготовления. Машиностроитель.-2001.-№3.-с.34-40.

105. Якушев А.И. Взаимозаменяемость, стандартизация и технологические измерения. М.: Машиностроение. 1979.- 343с.

106. Яхин А.Б. Проектирование технологических процессов механической обработки. М.: Оборонгиз. 1946.- 268с.

107. Bahman W. Der Einfluss einen harmonischen Relativbewegung zwischen Werkstuck und Kreisformfehler. Maschinenbautechnic, 1961, № 4-5.

108. Drehen Grundlagen und Anwendungstechnik.: Dusseldorf: VDJ-Verlag, 1987

109. Eschman P. Das Leistungsvermögen dr Walzlager, Berlin: 1964,186s.

110. Gouskov A.M. Brun-Picarol D. Ynstabilite du pereage vibratoire. // Yourne PRIMECA. November 28,1996, Nantes, France. pp. 31 - 38

111. Gunter A. Technische Diagnostik und Schadensforchung an Walzlagern. Chemnitz, T4,1985,96s.

112. Haug A. Elektrnische Messen michanischer Gropen. München, Carl Hansen Verlag, 1996, 228s.

113. Palmgren A. Grundlager der Walzlager technik Stuttgart: 1954,240s.

114. Spur G. Optimierung des Fertigungssystems Werkzeungmaschine. Munhen, 1972.-352s.

115. Wiele H. Beeinflussung der Temperaturbedingungen. Maschinenbautech -nik 23,1074, Heft 6, s. 249 - 255