Разработка методов повышения точности чистовой обработки и ее прогнозирования на основе анализа температурных деформаций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Гришин, Константин Викторович

• Гришин, Константин Викторович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гришин, Константин Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Анализ литературных данных, постановка целей и задач исследования.?

ГЛАВА 2. Методика экспериментальных исследований.

2.1 Используемые материалы и методы обработки.

2.2 Методика измерения ТД и размерного износа инструмента.

2.3 Используемые методы статистической обработки данных.

2.4 Основы метода нейросетевого программирования.

ГЛАВА 3. Исследование влияния условий резания на тепловые деформации инструмента и заготовки.

3.1. Исследование ТД инструмента.

3.1.1 Влияние режимов резания при различных условиях обработки на ТД инструмента.

3.1.1.1 Влияния скорости резания v на ТД инструмента.

3.1.1.2 Влияния подачи s наТД инструмента.

3.1.1.3 Влияние глубины резания t на ТД инструмента.

3.1.2 Влияние СОТС и предварительного упрочнения инструмента.

3.1.3 Влияние степени износа инструмента наТД.

3.1.4 Влияние твердости обрабатываемого материала на ТД инструмента.

3.1.5 Влияние геометрических параметров инструмента на его ТД.

3.2 Исследование ТД заготовки.

3.3. Влияние коэффициентов теплопроводности материалов заготовки и инструмента на их ТД.

3.4. Выводы:.

ГЛАВА 4. Анализ влияния ТД инструмента и заготовки на точность обработки.

4.1. Анализ степени влияния ТД на точность обработки в зависимости от условий резания.

4.2. Разработка способов уменьшения влияния ТД на точность обработки.

4.3 Выводы:.

ГЛАВА 5. Прогнозирование возникающих элементарных погрешностей обработки.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов повышения точности чистовой обработки и ее прогнозирования на основе анализа температурных деформаций»

По мере развития науки и техники конструктивно совершенствуются машины и приборы, повышаются требования к долговечности и надежности узлов и их деталей. В связи с этим постоянно растут и требования, предъявляемые к точности изготовления и качеству поверхностей деталей.

При этом достижение высоких квалитетов точности невозможно без использования различных методов размерной обработки заготовок. Среди них наибольшую долю занимают методы лезвийной механической обработки, причем такое положение по оценкам экспертов, будет сохраняться и в будущем. Точность же обработки данными методами во многих случаях не удовлетворяет предъявленным высоким требованиям, что приводит к необходимости включения в технологический процесс дополнительных, более дорогостоящих, но обеспечивающих требуемую точность методов финишной обработки. Обеспечение как можно более высокой точности, на предварительных операциях лезвийной обработки без значительных финансовых затрат, может серьезно снизить общую стоимость обработки за счет снижения трудовых затрат на последующих финишных операциях. Поэтому повышение точности существующих методов лезвийной обработки является актуальной задачей.

В то же время резервы повышения технологической точности методов лезвийной обработки практически исчерпаны и на первый план выходят менее значительные составляющие общей погрешности обработки, устранением которых можно добиться повышения точности. Одной из таких составляющих является погрешность, связанная с температурными деформациями (ТД) инструмента и заготовки, доля которой, в общей погрешности обработки, по мере конструктивного совершенствования оборудования только растет. И хотя исследованию ТД инструмента и заготовки, в период развития науки о технологии машиностроения, было посвящено не малое количество работ, практически все они, посвящены изучению максимальных, установившихся ТД и, по выражению самих исследователей, носят лишь оценочный характер. При этом, как показывает литературный обзор данной проблемы, на сегодняшний день, не смотря на признание важности и значительности влияния указанной составляющей погрешности на точность обработки, для оценки величин возникающих ТД предлагается пользоваться эмпирическими формулами, полученными в середине прошлого века, и пригодных для определения ТД элементов технологической системы находящихся в состоянии теплового равновесия.

Кроме того, в настоящее время на производстве наблюдается тенденция к применению сухого резания как наиболее экологически чистого метода обработки. Однако радикальный отказ от применения СОТС, может привести не только к уменьшению периода стойкости инструмента, но и к появлению значительных погрешностей обработки вследствие возникновения повышенных ТД механообрабатывающей технологической системы (МТС). Это определяет необходимость прогнозирования величин ТД в различных условиях обработки, и в случае значительного влияния их на точность, предложения методов снижения возникающих ТД.

Несомненно, актуальным направлением на сегодняшний день является также стремление реализации во всех сферах человеческой деятельности компьютерного проектирования и прогнозирования результатов. Данная работа лежит в русле этого течения т.к. направлена на применение полученных результатов в целях прогнозирования величин элементарных погрешностей на этапе проектирования технологических процессов. Осуществляется это с помощью формирования и обучения на основе полученных данных искусственной нейронной сети (ИНС). Применение которых, в области машиностроения, как показывают многочисленные исследования, дает всецело положительные результаты.

Целью настоящей работы является изыскание способов повышения точности обработки тонким точением и возможности её прогнозирования на этапе технологической подготовки.

Для достижения поставленной цели предполагалось решить следующие задачи:

1. Изучение величин возникающих погрешностей от ТД при лезвийной обработке и изменения их доли в общей погрешности обработки при изменении условий обработки.

2. Изучение влияния условий резания (в том числе режимов резания, применения СОТС) на ТД при резании.

3. Изучение влияния износа инструмента на ТД.

4. Анализ влияния ТД инструмента и заготовки на получаемую точность обработки.

5. Разработка способов уменьшения возникающих ТД при резании.

6. Разработка нейросетевой модели прогнозирования тепловых деформаций и влияния элементарных погрешностей на точность получаемых деталей.

Задачи настоящего исследования решались экспериментальными и теоретическими методами. Экспериментальное изучение величин элементарных погрешностей обработки проводилось с помощью методики и программных продуктов, разработанных на кафедре ТМП ИГТА. Обработка результатов экспериментов осуществлялась с использованием методов математической статистики. Для реализации системы прогнозирования точности на основе нейронных сетей, использовался программный продукт MATLAB.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлены зависимости температурных деформаций инструмента и заготовки от условий обработки, влияние, которых на температурные деформации, имеет сложный характер.

2. Установлено влияние на точность обработки температурных деформаций инструмента и заготовки в отдельности.

3. Предложен метод повышения точности обработки деталей на основе снижения погрешности связанной с температурными деформациями инструмента и заготовки.

4. Предложено программное обеспечение на основе пакета нейросетевого программирования позволяющее прогнозировать величину температурных деформаций и влияния их на общую точность обработки.

Практическая ценность работы состоит в сборе большого количества экспериментальных данных и построении на основе этих данных нейросетевой модели прогнозирования точности обработки точением. Которая может быть использована как на этапе технологического проектирования для оценки возникающих погрешностей обработки, так и на этапе производства деталей с целью учета элементарных погрешностей обработки при выполнении настройки станка.

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

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В результате выполненных исследований получены следующие научные выводы и практические результаты:

1. ТД инструмента и заготовки в значительной степени зависят от условий и режимов резания. Причем влияние режимных факторов изменяется не только в зависимости от условий резания (прерывистости или непрерывности обработки, применения СОТС и т.п.), но и в зависимости от общего сочетания самих режимных факторов.

2. На ТД инструмента и заготовки определяющее воздействие оказывают их геометрические и физические характеристики. Так на ТД заготовки в значительной мере влияют её габариты, в частности при точении это диаметр и длина обрабатываемой поверхности. На ТД инструмента в наибольшей степени влияют вылет резца и размеры его поперечного сечения. Среди физических характеристик, наибольшее влияние на возникающие ТД, оказывает теплопроводность применяемых материалов. Величина ТД инструмента зависит от теплопроводности как самого инструмента, так и заготовки. Величина же ТД заготовки определяется её теплопроводностью и практически не зависит от теплопроводности инструмента.

3. Влияние СОТС на ТД однозначно, применение СОТС снижает величину ТД. Однако эффективность применения в зависимости от условий резания различна. Значительное влияние на эффективность использования СОТС оказывают характеристики используемых инструментальных и обрабатываемых материалов.

4. Общее влияние прерывистости обработки проявляется в снижении величины ТД инструмента с ростом коэффициента прерывистости, а также увеличении эффективности применения СОТС для снижения величины ТД. Значительное воздействие прерывистость обработки оказывает также на зависимость величины ТД инструмента от скорости резания.

5. Наибольшая степень влияния ТД на точность обработки может проявляться либо при максимальных значениях ТД инструмента и заготовки, либо при условии незначительности размерного износа инструмента и других систематических и случайных погрешностей обработки.

6. Предложенный буфер подогрева инструмента не снижает его ТД, но позволяет повысить точность обработки за счет исключения большей части ТД происходящих в первоначальный период обработки.

7. Использование буфера подогрева инструмента снижает влияние ТД заготовки и инструмента на погрешность профиля продольного сечения, и в зависимости от условий и режимов резания, определяющих долю ТД в общей погрешности обработки, позволяет добиться повышения точности формы обрабатываемой поверхности на одну две степени.

8. Использование для прогнозирования величин погрешности обработки ИНС показало высокую степень аппроксимации экспериментальных данных и достоверности прогнозирования, при условии однотипности инструментальных и обрабатываемых материалов в обучающей выборке и задаваемых для прогноза условиях.

102

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гришин, Константин Викторович, 2007 год

1. Андреев Г.С. Тепловые явления в режущей части инструмента при прерывистом резании. «Вестник машиностроения» 1973, №10.

2. Алферов, В.И. Исследование и расчет температурных полей и температурных деформаций прецизионных станков от колебаний температуры воздуха и от внутренних источников тепла. / Автореф. дис. на соиск. научн. степени канд. техн. наук.-М.: ЭНИМС, 1980.19 с.

3. Безъязычный, В.Ф. Влияние температурных деформаций детали и резца на точность обработки. /В.Ф. Безъязычный, В.Ф. Т.А. Скитева «Вестник машиностроения», 1993, №5-6.

4. Бурков, А.А. Управление технологическими системами на основе динамических и нейронно-сетевых моделей процесса резания / Дисс. на соиск. научн. степени доктора техн. наук. Хабаровск.

5. Васин, С.А. Резание материалов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании: Учеб. для техн. вузов. /С.А. Васин, А.С. Верещака, B.C. Кушнер. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 448 е.: ил.

6. Венецкий, И.Г. Теория вероятностей и математическая статистика: Учеб. пособие для вузов /И.Г. Венецкий, Г.С. Кильдишев. М.: Статистика, 1975. -264 е.: ил.

7. Верещака, А.С. Режущие инструменты с композиционными покрытиями. /А.С. Верещака, И.П. Третьяков. М.: МДНТП, 1986.

8. Выслоух, С.П. Нейросетевое моделирование технологических параметров процесса резания. / Резание и инструмент в техн. системах: Межд. научн.-техн. сборник. Харьков: НТУ «ХПИ», 2005.

9. Глухенький, А.И. О погрешностях обработки, возникающих в токарных станках от температурных деформаций. /Механика. Прочность материалов и деталей машин. Куйбышев, 1974. с. 130-132.

10. Грановский Г.И. Обработка результатов экспериментальных исследований резания металлов. М.: Машиностроение, 1982. - 112 с.

11. Даниелян A.M. Теплота и износ режущего инструмента в процессе резания. -М.: Машгиз, 1954.

12. Заенцев, И.В. Нейронные сети: основные модели: Учеб. пособие. -Воронеж: ВГУ, 1999.-75 с.

13. Залога, В.А. Выбор оптимальной структуры нейросети для решения задач теории резания. // В.А. Залога, Д. В Криворучко, А. А.Мишенин

14. Кабалдин, Ю.Г. Нейросетевое моделирование динамики технологических систем механической обработки //Ю.Г. Кабалдин, С.В. Серый, С.В. Биленко / Вестник машиностроения, 2004. № 5. с. 47- 49.

15. Каштальян, И.А. Разработка и исследование методов повышения производительности и точности обработки на токарных станках с ЧПУ регулированием подачи. // Дис. на соиск. уч. степени канд. техн. наук.

16. Кащеева, З.М. Исследование влияния тепловыделений на геометрическую точность токарно-револьверных станков: Автореф. дис. на соиск. уч. степени канд. техн. наук. JL: ЛПИ, 1969. 19 с.

17. Коваленко, А.В. Точность обработки на станках и стандарты. М.: Машиностроение, 1992. - 158 е.: ил.

18. Колев, К.С. Вопросы точности при резании металлов. М.: МАШГИЗ, 1961.- 134 с.

19. Колев, К.С. Точность обработки и режимы резания. М.: Машиностроение, 1976.- 144 с.

20. Кораблев, П.А. Точность обработки на металлорежущих станках в приборостроении. М.: Машгиз, 1962. - 228 с.

21. Корсаков, B.C. Точность механической обработки. М.: Машгиз, 1961. -379 с.

22. Круглов, В.В. Нечёткая логика и искусственные нейронные сети: Учеб. пособие /В.В. Круглов, М.И. Дли, Р.Ю. Голунов. М.: Изд-во Физико-математической литературы, 2001. - 150 е.: ил.

23. Лебедев, В.Г. Моделирование литейных процессов: желаемое и действительное. В.Г. Лебедев, А.Г. Попов, НПО МКМ 2005: /Интернет ресурс http://lvm.mkmsoft.ru/ uploadfiles /mkr.htm

24. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1982. - 320 е.: ил.

25. Макаров, А.Д. Оптимизация процессов резания. М.: Машиностроение, 1976.-278 е.: ил.

26. Макарова, Т.А. Повышение точности чистового точения путем прогнозирования и компенсации доминирующих составляющих погрешности обработки. Диссертация на соискание звания канд. техн. наук. Ленинград, 1991. -128 с.

27. Медведев, Д.Д. Точность обработки в мелкосерийном производстве. М.: Машиностроение, 1973. - 120 с.

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

29. Обработка металлов резанием: Справочник технолога / Под общ. ред. А.А. Панова. -М.: Машиностроение, 1988. 736 с.

30. Островский, В.Ф. Температурные деформации, возникающие в токарно-револьверных станках от внутренних источников тепла и их исследований. / Машиностроение, оборудование, ремонт и эксплуатация. Красноярск. 1975, с. 65-72.

31. Панова, О.Г. Повышение эффективности операций хонингования на основе анализа температурных деформаций инструмента и детали: Дис. на соиск. степени канд. техн. наук. Рыбинск, 2004. 169 с.

32. Подураев, В.Н. Резание труднообрабатываемых материалов. М.: Высшая школа, 1974.-590 с.

33. Полетика М.Ф. Напряжения и температура на передней поверхности резца при высоких скоростях резания. М.Ф. Полетика, В.А. Красильников. -«Вестник машиностроения», 1973, №10.

34. Проников А.С. Надежность машин. М.: Машиностроение, 1978.

35. Полтавцев, А.Ф. Методы контроля регистрации и снижения температуры и тепловых деформаций металлорежущих станков. /А.Ф. Полтавцев, А.А. Соколов. НИИМАШ, Обзор 1982. 36 с.

36. Резников, А.Н. Тепловые процессы в технологический системах: Учеб. для втузов. /А.Н. Резников, J1.A. Резников. М.: Машиностроение, 1990. - 288 е.: ил.

37. Резников, А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. М.: Машиностроение, 1981. - 279 е.: ил.

38. Резников, А.Н. Современное состояние и задачи дальнейшего изучения теплофизики резания металлов /А.Н. Резников, JI.A. Резников. Вестник машиностроения. №5-6,1993.

39. Рохин, В.Л. Исследование и прогнозирование точности надежности токарных патронных станков с ЧПУ. Автореф. дис. на соиск. уч. степени канд. техн. наук.-М.: МВТУ, 1981. 16 с.

40. Рыжов, Э.В. Исследование температурных деформаций резцов. Вестник машиностроения, №4,1959, с.73-75.

41. Семенов, В.В. К вопросу о методике оценки эффективности исследований процесса резания. / В сб. «Научная школа В.Н. Латышева». Иваново, ИвГУ, 1999.-С. 39-44.

42. Серебряный, Ю.Л. Повышение точности обработки на основе анализа температурных деформаций заготовок. Диссертация, Москва, 1988. 164 с.

43. Силин, С.С. Аналитический метод определения обрабатываемости резанием сталей и сплавов на основе совместного изучения механических и тепловых явлений / Вестник машиностроения. №5-6, 1993.

44. Силин, С.С. Метод подобия при резании материалов. М.: Машиностроение, 1979. - 152 е., ил.

45. Соломенцев, Ю.М. Моделирование точности при проектировании процессов механической обработки / Ю.М. Соломенцев, М.Г. Косов, В.Г. Митрофанов. М.: НИИМАШ, 1984. - 56 с.

46. Соколов, Ю.Н. Температурные расчеты в станкостроении М.: Машиностроение, 1968. 77 с.

47. Соколовский, А.П. Расчет точности обработки на металлорежущих станках. -М.: МАШГИЗ, 1952.-274 с.

48. Справочник технолога машиностроителя. В 2 т. Т. 1 /под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. М.: Машиностроение, 1985. - 656 с.

49. Стародубов, B.C. Тепловые деформации узлов станка с ЧПУ и их влияние на точность обработки. / B.C. Стародубов, Кузнецов А.П. М.: Труды МИНХ и ГП, вып. 160, 1981. с. 101-115.

50. Суслов, А.Г. Научные основы технологии машиностроения. /А.Г. Суслов, A.M. Дальский. -М.: Машиностроения, 2002. 684 с.

51. Татьянченко, А.Г. Влияние температурных деформаций детали и инструмента на искажение профиля продольного сечения отверстия при развертывании. /Интернет ресурс http://www.uran.donetsk.ua/~masters/ /2002/foreign/choudhaiy/diss/libraiy6.htm

52. Талантов, Н.В. Температурно-деформационные закономерности процесса резания. /Оптимизация процессов резания жаро- и особопрочных материалов. -Уфа. 1984.

53. Точность механической обработки и пути её повышения /под ред. Соколовского А.П. М.: МАШГИЗ, 1952. - 353 с.

54. Юрин, В.Н. Повышение технологической надежности станков. М.: Машиностроение, 1981. 78 с.

55. Ящерицин, П.И. Теория резания: учеб. /П.И. Ящерицин, Е.Э. Фельдштейн, М.А. Корниевич. Мн.: Новое знание, 2005. - 512 е.: ил.

56. Braning, Н. Berechenung der instationazen temperaturverteilung und temperaturdeformation an Werkzeugmachinen. / VDI-Z, 1973. s. 923-929.

57. Chen I. J. An effective fuzzy-nets training scheme for monitoring tool breakage.//! Intell. Manuf. 2000. № 1. c. 85- 101.

58. Ко, J. Т. Adaptive modelling of die Millin Process and Application of a Neural Network for Tool Wear Monitoring/ J. Т. Ко, D. W. Cho // Int. J. Adv. Manuf. Technology. 1996. № 12. c. 5-13.

59. Li, X. Hybrid learning for tool wear monitoring. / X. Li, S. Pong, P. K. Veruvinod //Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2000. Вып. 16. № 5. с. 303-307.

60. Liao, Т. W. Manufacturing Process Modeling and Optimization Based on MultiLayer Perceptron Network T. W. Liao, I. J. Chen //ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering. 1998. T. 120. c. 109-119.

61. Miernik, M. Application of neural networks for chip-type prediction in the turning of cobalt alloys // Eur J. Mech. Eng. Rev М. 1997. Вып. 42. № 2. с. 79- 82.

62. Monoronjak, K.P. A study of methods to minimize thermal deformation and their effect on the working accuracy of machining tools. Proc. Int. Conf. Prod. Eng., New Dehly, 1977, v. 1, Calcutta. - p. 98-112.

63. Мои, J. A method of using neural networks and inverse kinematics for machining tools error estimation and correction //J. of Manuf. Science and Engineering: Trans, of ASME. 1997. Вып. 119. с. 247- 254.

64. Okushima К. Compensation of thermal displacement by coordinate system correction. K. Okushima, Y. Kakino / CIRP Anns., 1975, v. 24. № 1. p. 327-331.

65. Siores, E. NDT and back propagation artificial neural network based monitoring of tool wear life in turning operations / E. Siores, D. Sairi, K. Ghamami //Non-Destruct. Test -Austral, 1997. № 4. p. 116-120.

66. Shuijin L. Моделирование сил резания при фрезеровании концевой фрезой со сферической режущей частью. / L. Shuijin, J. Rencheng, Z. Yunfei //Huazhong ligong daxue xuebao=J. Huazhong Univ.Sci. and Technol. 2000. Вып. 28. № 6. -с. 99-113.

67. Spur, G. Thermal behavior of NC machine tools. / G. Spur, P. de Haas. Int. Mach. Tool. Des. and Res. Conf. Manchester 1973. London, 1974. - p. 267-272.

68. Jawahir, I. S. Comprehensive evaluation of tool inserts for chip control using fuzzy modeling of machinability parameters /1. S. Jawahir, J. Fei //Trans. NAMRI, 1993. № 21.-c. 205-213.

69. Yeo, S. H., Khoo L. P., Neo S. S. Tool condition monitoring using reflectance of chip surface and neural network.// Intell. Manuf., 2000. Вып. 11. №6. -с. 507-514.

70. Yoshida Y. Thermal deformation of machine tools and its compensation. CIRP Anns, №4,1978. p. 163-169.