Содержание к диссертации
Обозначения и сокращения 5
Введение 6
1 Анализ научно-технической литературы, посвященной подходам к
проектированию механической обработки гребных винтов, как типового
представителя семейства крупногабаритных деталей 12
Объект исследования — гребной винт и классификация его видов 12
Основные особенности формообразования поверхностей гребного винта, анализ типового процесса фрезерования и постановка задачи исследования 17
2 Разработка методики по созданию конструкторской модели
крупногабаритной фасонной детали и методики автоматизированного
рационального распределения припусков и управления глубиной резания
Общие положения многоуровневой модели 43
Методика создания конструкторской теоретической модели гребного винта (виртуальной геометрической модели) 48
Основные этапы, техническое и программное обеспечение для создания измеряемой модели винта 61
Методика автоматизированного рационального распределения припусков заготовки и управления глубиной резания 65
3 Теоретические положения и методика по корректировке подачи и
скорости фрезерования в зависимости от изменения глубины резания при
неравномерном припуске 77
Корректировка подачи фрезерования 83
Корректировка скорости фрезерования 86
4 Экспериментальное исследование разработанных методик 88
Создание конструкторских моделей лопастей 88
Рациональное распределение припусков заготовки и управления глубиной резания 99
Корректировка подачи и скорости фрезерования в зависимости от изменения глубины фрезерования 114
Основные результаты эксперимента 118
5 Расчет сравнительной экономической эффективности
автоматизированного управления режимами резания в зависимости от
глубины резания 120
5.1 Направление оценки экономичности предложенного варианта
120
Расчет роста производительности и себестоимости для базового и предложенного варианта фрезерования 120
Расчет капитальных вложений 122
Расчет сравнительной экономической эффективности и срока окупаемости при внедрении предложенных методик 123
Основные выводы по работе 124
Список использованных источников 126
5 Обозначения и сокращения
КИМ — координатно-измерительная машина
САПР - система автоматизированного проектирования
ЧПУ — числовое программное управление
СПИД - станок-приспособление-инструмент-деталь
ФГУП - федеральное государственное унитарное предприятие
МП - машиностроительное предприятие
УП - управляющая программа
CAD - Computer-Aided Design (проектирование с помощью компьютера)
МПД - магнитная порошковая дефектоскопия
ВДС — воздушно-дуговая строжка
ФС — формообразующая система
Введение к работе
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
7 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.
Первый раздел посвящен анализу научно-технической литературы, посвященной подходам к проектированию обработки гребных винтов, как типового представителя семейства крупногабаритных фасонных деталей, имеющих сложные геометрические формы. В разделе приведены наиболее типичные схемы механической обработки лопастей, даны показатели обрабатываемости, конструкции инструментов и схемы обрабатывающих центров для осуществления многокоординатного фрезерования лопастей винтов. На основании анализа сформулированы цель и задачи работы.
Во втором разделе дано обоснование многоуровневой модели винта и описаны разработанные методики по созданию конструкторской модели крупногабаритной фасонной детали и автоматизированного рационального распределения припусков и управления глубиной резания.
В третьем разделе приведена методика определения рациональных режимных параметров (подачи и скорости) при фрезеровании лопастей винтов, в зависимости от глубины резания вдоль траектории движения фрезы по критерию стабилизации сил резания и стойкости инструмента.
В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных данных для проекта лопасти сборного гребного винта и проекта четырехлопастного цельнолитого гребного винта. Приведены этапы и результаты создания
10 конструкторских моделей, полигональных моделей заготовок с выполнением этапа «вписываемости» конструкторской модели и оформлением паспорта контроля геометрии заготовки. Также показаны результаты расчета рациональной подачи и скорости инструмента при изменении глубины срезаемого слоя для этих же проектов.
В пятом разделе выполнен расчет сравнительной экономической эффективности автоматизированного управления режимами резания в зависимости от глубины резания.
В заключении работы приведены основные выводы по результатам диссертации.
Диссертация изложена на 135 страницах и состоит из 9 таблиц, 97 рисунков, списка использованных источников из 102 наименований.
На защиту выносятся:
