Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния проблемы, постановка цели и задач исследований 7
1.1, Надежность твердосплавного инструмента и точность дозирования при его производстве 7
1.2. Базовые направления повышения точности и производительности измерения дозирования 11
1.3. Частные методы повышения точности и производительности измерения и дозирования
1.4. Выводы 29
2. Основы технологии поэтапного дозирования 30
2.1. Новая технология поэтапного дозирования 30
2.2. Основные положения метода поэтаппого дозирования 31
2.3. Синтез дозаторов поэтапного действия 37
2.4. Семейство дозаторов поэтапного действия 41
2.5. Выводы 59
3- Оптимизация режима поэтапного дозирования 60
3.1. Постановка задачи її критерий оптимизации режима поэтапного дозирования 60
3.2. Оптимизация режима поэтапного весового дозирования 61
3.3. Оптимизация режима поэтапного объемно-весового дозирования 80
3.4. Сравнительный анализ поэтапного и одноэтапного дозирования 91
3.5. Выводы . * 93
4. Иллюстративные примеры 95
4.1. Оптимизация весового дозирования по критерию производительности 95
4.2. Оптимизация весового дозирования по критерию 98
4.3. Оптимизация объемно-весового дозирования но критерию производительности 101
4.4. Оптимизация объемно-весового дозирования по критерию К 103
5, Программа ОптДоэ для расчета оптимального режима дозирования 105
6. Повышение надежности резьбонарезных пластин 108
Заключение 118
Список литературы 120
- Надежность твердосплавного инструмента и точность дозирования при его производстве
- Новая технология поэтапного дозирования
- Постановка задачи її критерий оптимизации режима поэтапного дозирования
- Оптимизация весового дозирования по критерию производительности
Введение к работе
Одной из главных причин снижения надежности твердосплавного режущего инструмента в настоящее время является недостаточная точность дозирования при приготовлении смеси порошковых компопсіїтов. Дозирование смеси компонентов до последнего времени оставалось наименее изученным этапом технологического процесса производства инструмента. Между тем, без высокоточного дозирования невозможно обеспечить соответствие физико-механических свойств твердосплавного материала установленным стандартам качества» В результате снижается надежность твердосплавного инструмента.
Автоматизация порошковой металлургии, в частности производства твердых сплавов, требует создания все более широкой номенклатуры автоматизированных систем дозирования порошковых материалов, повышения точности дозирования. Последнее требование особенно актуально в силу того, что дозирование является базовой технологической операцией, определяющей качество материала и возможность его дальнейшего использования.
Наблюдающийся рост производства высокоточного дозирующего оборудования существенно отстает от увеличения потребности в нем. В значительной мере это связано с отсутствием стройной методики синтеза дозирующих систем, недостаточной проработкой методов повышения точности и производительности дозирования. Кроме того, обширная элементная база дозирующих систем до последнего времени должным образом не обобщена,
В настоящее время, как в отечественной промышленности, так и за рубежом проблема повышения точности и производительности дозирования решается лутем значительного усложнения конструкции и применения дорогостоящих элементов. Это связано с тем, что точность дозирования в современных дозирующих системах резко снижается с повышением производительности. Поэтому для высокопроизводительного точного дозирования приходит^ ся использовать элементы с высоким быстродействием и стабильностью параметров. Также возникает необходимость усложнения конструкции дозирующей системы для компенсации возникающих динамических погрешностей. При этом необходимо использовать измерительные устройства, имеющие одновременно большой диапазон и высокую чувствительность измерения» В силу
ВВЕДЕНИЕ
указанных обстоятельств сложность и стоимость дозирующих систем чрезвычайно возрастают [11]; [17].
Вопрос повышения производительности дозирования заданной точности в литературе рассматривается недостаточно. В известных работах [3]; [16]; [35] решение задачи повышения производительности связывается со снижением точности, а решение задачи повышения точности обуславливается снижением требований по производительности. Между тем, в настоящее время в связи с ростом значения дозирования задача повышения точности при сохранении высокой производительности является основной задачей проектирования дозирующих систем.
На основании вышеизложенного была сформулирована основная цель работы, которая заключается в повышении надежности твердосплавного инструмента на основе оптимизации конструкции дозирующей системы и управления режимами дозирования на этапе приготовления смеси порошковых компоненВ работе впервые получены следующие научные и практические результаты:
Для повышения надежности твердосплавного инструмента разработана методика поэтапного дозирования, заключающаяся в оптимальном разбиении дозирования порции сыпучего материала па этапы с определенной длительностью и интенсивностью подачи материала;
Предложен критерий оптимизации ^приведенная погрешность времени дозированиям, характеризующий точность элементов дозирующей системы для двух основных типов поэтапного дозирования (весового и объемно-весового);
- Построена математическая модель дозирования, позволяющая находить
\ оптимальный режим при заданной производительности, точности дози-
рования и установленных ограничениях па величину и характер регулирования интенсивности подачи материала.
- Использование разработанной технологии поэтапного дозирования при
производстве твердосплавного инструмента обеспечивает повышение на-
ВВЕДЕНИЕ
дежности инструмента за счет уменьшения в 1,5 раза среднеквадратичного отклонения наработки до отказа;
Создано семейство дозаторов поэтапного действии, наилучшим образом удовлетворяющих требованиям высокоточного дозирования порошковых компонентов твердых сплавов;
Получены зависимости и приведены практические рекомендации для различных случаев дозирования, которые могут быть использованы при решении конкретных задач синтеза дозирующих систем и оптимизации режима их работы.
Создана программа ОптДоз, позволяющая выполнять для заданного технического задания автоматический расчет оптимального режима дозирования, обеспечивающего повышение производительности, точности, надежности дозирования, а также снижение требований к точности элементов дозирующей системы.
Результаты работы были доложены на заседаниях кафедры Высокоэффективные технологии обработки МГТУ зСТАНКИН», Всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве — 2006s> в Воронежском государственном техническом университете, 5-ой Всероссийской юбилейной научно-практической конференции в Алтайском государственном техническом университете (г. Бийск), а также на рабочем совещании на Московском инструментальном заводе.
По теме диссертации опубликовано б печатных работ и получен патент на изобретение.
Автор выражает благодарность научному руководителю работы заведующему кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» профессору, д.т.н. С.Н. Григорьеву, а также преподавателям и сотрудникам кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» за помощь, оказанную при выполнении работы.
Надежность твердосплавного инструмента и точность дозирования при его производстве
В настоящее время в металлообрабатывающей промышленности широкое применение находит твердосплавный режущий инструмент. В частности, значительное распространение получил сложпопрофилыплй режущий инструмент. Ввиду своих конструктивных особенностей и специфики процесса резания такой инструмент не всегда отвечает по своим эксплуатационным показателям высоким требованиям современного автоматизированного производства.
Одним из представителей мпогозубого сложнопрофилыюго режущего струмента являются резьбонарезные пластины (рис. 1). Твердосплавная резьбонарезная пластина в реальных условиях производства в основном используется для нарезаїшя крепежной резьбы на трубах и муфтах в нефтяной и газовой промышленности, вследствие этого нарезание резьбы является сложной и ответственной операцией, и производится на специальных станках с повышенной жесткостью технологической системы.
Работоспособностью называют способность режущего инструмента выполнять свои функции в течение определенного времени с высокой надежностью. Работоспособность зависит от многих факторов, но, прежде всего, определяется сопротивляемостью контактных площадок инструмента изнашиванию и разрушению, которые происходят в результате их взаимодействия с обрабатываемым материалом. Изнашивание контактных площадок происходит непрерывно и обусловлено одним или несколькими параллельно протекающими механизмами: абразивным, адгезионно-усталостным, химико-окислительным и диффузионным. В зависимости от условий резания и характера контактного взаимодействия может превалировать один из механизмов, который и будет определять работоспособность инструмента.
Превращение срезаемого слоя в стружку при нарезании резьбы резцом происходит в крайне тяжелых условиях. Это связано с тем, что при радиальном врезании все режущие кромки резца участвуют в резании, срезая слои материала по всему рабочему периметру. Встречные потоки деформируемого материала, перемещаясь по передней поверхности резца в направлениях, перпендикулярных к режущим кромкам, пересекаясь, мешают друг другу, увеличивая тем самым степень деформации срезаемого слоя. Чем больше глубина врезания резца, тем тяжелее условия стружкообразования, так как боковые поверхности резьбы все более ограничивают свободное формирование стружки. С точки зрения уровня деформировашюсти срезаемого слоя из-за стесненных условий стружкообразования процесс резьбонарезания относят к наиболее тяжелым случаем резания.
Изнашивание и хрупкое разрушение режущей кромки является основными причинами отказа инструмента; изнашивание режущего инструмента по задней поверхности сопровождается изменением профиля и размера нарезаемой резьбы, а наличие выкрашиваний и сколов на режущей кромке способствует увеличению шероховатости обрабатываемой поверхности; наиболее часто максимальное значение износа наблкщается на задней боковой вспомогательной поверхности первого чернового зуба; вероятность микровыкрашиваиий и скалывания режущей кромки у чернового зуба выше, чем у калибрующего.
В связи с тем, что хрупкое и пластическое разрушение связаны с прочностью, а изнашивание с износостойкостью, предрасположенность твердосплавного инструмента к тому или иному виду отказа прежде всего зависит от физико-механических свойств инструментального материала.
Начальной стадией этого производства является дозирование смеси компонентов. Если точность дозирования недостаточна, никакая дальнейшая обработка, даже самая высокоэффективная, не позволит обеспечить требуемые потребительские характеристики режущего твердосплавного анализ современного состояния проблемы, постановка цели и задач исследований инструмента. Поэтому решение задачи производства надежного и долговечного твердосплавного инструмента невозможно без оптимизации дозирования на этапе приготовления смеси порошковых компонентов.
Технология производства твердосплавного инструмента из материала заданной марки (например, ВК60М) разработана в соответствие с физико-механическими свойствами твердосплавного материала. Режим формования, температура и давление, при которых осуществляется спекание компонентов твердого сплава оптимизированы для конкретного состава материала. Поэтому требования к точности дозирования смеси компонентов при производстве твердых сплавов очень высокие, допустимая погрешность обычно не превышает 0,1% (масс.) и при производстве используются весовые дозаторы с невысокой производительностью.
Новая технология поэтапного дозирования
Основной проблемой дозирования является обеспечение одновременно высокой точности и производительности дозирования, а также простоты кои-струкции дозатора. Іочность характеризуется относительной погрешностью, то есть отношением абсолютной погрешности к величине дозируемой массы или диапазону масс. В преобладающем большинстве случаев относительная погрешность дозатора мало зависит от массы .дозируемого матшиала иаб лютная погрешность, таким образом, находится в прямой зависимости от массы. Поэтому, чем меньше масса дозируемого материала, тем соответственно меньше абсолютная погрешность. Эта возможность достижения малых абсолютных погрешностей при малых массах положена в основу повой технологии дозирования, суть которой заключается в разделении дозирования на предварительное (грубое), при котором дозируется основная часть массы материала, и окончательное (чистовое) для дозирования оставшейся небольшой части. Разработанная технология обеспечивает решение задачи снижения погрешности дозирования.
Разбиение процесса дозирования на несколько этапов (их может быть и больше двух) должно производиться таким образом, чтобы погрешность дозирования на предыдущем этапе могла быть полностью скомпенсирована на последнем этапе. Для того, чтобы компенсация была осуществлена, между этапами дозирования необходимо наличие определенной связи, обеспечиваемой дозатором.
Таким образом, относительшя-погрешность-дозищвания определяется аб- / солютной погрешностью на последнем! этапе. Абсолютная погрешность на этом т этапе, в свою очередь, зависит от величин дозируемой массы и от качества элементов дозирующей системы- Следовательно, даже при невысоком качестве элементов дозирующей системы можно обеспечить малую абсолютную / погрешность _за счет уменьшения массы, дозируемой на последнем этапе, и ш соответствующего увеличения числа этапов дозирования. Это число зависит от общей дозируемой массы, допускаемой абсолютной погрешности и от возможностей элементов дозирующей системы.
Исходя из поставленной задачи высокоточного дозирования с помощью невысокоточных устройств выбирают такое устройство на последнем этапе, которое обеспечит требуемую абсолютную точност . Йскомая масса, дозируемая па последнем этапе, должна быть выбрана в интервале масс, дозируемых этим устройством. Если погрешность невысокоточного дозирования оставшей 2 основы технологии поэтапного дозирования ся основной части массы окажется меньше массы, дозируемой на последнем этапе, то можно ограничиться двумя этапами. В противном случае число этапов должно быть увеличено с таким расчетом, чтобы погрешность каждого предыдущего этапа могла быть скомпенсирована на последующем этапе.
Связь между этапами дозирования может реализовываться различными средствами. Связь может быть механической {за счет совместного взвешивания предыдущих и последующих дозируемых частей); информационной (за счет сложения аналоговых или цифровых эквивалентов масс, дозируемых на разных этапах, и оценки их суммы) и др.
Дозатор состоит из весовой камеры 1, расположенной на верхнем/двупле-чем рычаге 2, свободно установленном на горизонтальной оси вращения 3. Двуплечий рычаг 4 свободно установлен на горизонтальной оси вращения 5. Оси 3 и 5 закреплены в корпусе дозатора. Регулируемые по высоте упоры 6, 7 и 8 ввинчены в корпус, а упор 9 — в нижний рычаг 4 под верхним рычагом 2. Упоры расположены по два справа и по два слева (по рисунку) от осей вращения 3 и 5 с возможностью взаимодействия с нижними плоскостями рычагов. Оба рычага снабжены горизонтальными линейками и противовесами 10 и 11, которые установлены на рычаги с возможностью продольного перемещения. Бесконтактные регулируемые по высоте конечные выключатели 12 и 13 закреплены: первый — на нижнем рычаге 4 под верхним рычагом 2, второй — в корпусе под нижним рычагом 4. В трубке 14, через которую из бункера 15 подается дозируемый материал, расположен поворотный отсекатель 16, связанный с приводом вращения 17.
При включении дозатора электрический сигнал через шкаф управления 18 передается приводу 17, что вызывает поворот отсекателя 16 на определенный угол, в результате чего отверстие большого диаметра в отсекателе 16 (соответ ствующее грубой, предварительной дозировке) совмещается с каналом трубки 14, и в камеру 1 начинает поступать материал.
После заполнения камеры 1 количеством материала, соответствующим грубой дозировке, левое плечо верхнего рычага 2 перевешивает и, поворачиваясь, опирается на упор 9. Конечный выключатель 12 при этом подает сигнал через шкаф управлении 18 приводу 17, в результате чего отсекатель 16 поворачивается на определенный угол, при котором с каналом трубки 14 совмещается отверстие отсекателя меньшего диаметра, соответствующее точной дозировке.
После заполнения камеры требуемой массой материала нижний рычаг 4 перевешивает и, поворачиваясь, упирается в упор 8. При этом срабатывает конечный выключатель 13, и по его сигналу через шкаф управления 18 привод 17 поворачивает отсекатель 16 на определенный угол, и он, обращаясь к каналу трубки 14 глухой стороной, перекрывает подачу материала.
Постановка задачи її критерий оптимизации режима поэтапного дозирования
Оптимальное дозирование представляет собой технологический процесс, обеспечивающий отвешивание (отмериватше) материала с максимальной производительностью (для порционного дозирования) и точностью при минимальной сложности оборудования (дозатора).
Оптимизация дозирования заключается в повышении его качества без существенного усложнения и удорожания конструкции дозатора. Это становится возможным благодаря использованию методов повышения точности и производительности дозирования.
Оптимизацию порционного дозирования можно условно разделить на три стадии: на первой стадии осуществляется предварительный модульный синтез оптимальной дозирующей системы на основе технического задания; на второй стадии реализуется структурная коррекция ДС с использованием различных методов повышения точности и производительности; на третьей стадии производится определение оптимального режима дозирования.
Для случая поэтапного дозирования режим дозирования определяется интенсивностью (расходом) и продолжительностью подачи материала на каждом из этапов дозирования, а также числом этапов. Задача оптимизации режима поэтапного дозирования может быть сформулирована двояко:
1. нахождение такого режима, который при заданных допустимой погрешности дозирования и известных характеристиках элементов дозирующей системы обеспечивает максимальную производительность;
2. нахождение такого режима, который при заданных допустимой погрешности и производительности дозирования требует наименьшей точности элементов ДС. В первом случае критерием оптимизации является производительность дозирования, и оптимизация направлена на ее макси
Для дозаторов типа рис. 12 и в целом для тех дозаторов поэтапного весового дозирования, погрешность которых определяется главным образом непостоянством времени срабатывания устройства управления подачей (УУП), а также непостоянством физико-механических свойств дозируемого материала, может быть проведена оптимизация по критерию производительности. Задачей оптимизации в данном случае является такое разбиение дозируемой массы по этапам с определением интенсивностей подачи на них, чтобы время дозирования порции оказалось минимальным, а производительность, соответственно, максимальной.
Приведенная погрешность времени дозирования примерно одинаковая для всех этапов дозирования. Это связано с тем, что на первом этапе дозируется оптимизация режима поэтапного дозирования основная часть массы {90% и более) и дальнейшее изменение уровня материала незначительно. Изменение величины К, как показали предварительные исследования, не превышает 5%. При дозировании жидкостей постоянство К может быть обеспечено подачей материала ниже уровня, соответствующего окончанию первого этапа. Объединяя формулы (28) и (29), получаем mi+i = QiKC (32)
Исходя из условия (32), можно провести оптимизация по критерию производительности для выявления такого комплекса масс и шггенсивностей подачи материала на этапах, чтобы при заданной допустимой абсолютной погрешностью Дд, суммарной дозируемой массе М, приведенной случайной погрешности времени дозирования предполагаемой конструкции К и коэффициенте запаса по компенсации погрешности С обеспечить максимально высокую производительность.
Проведем оптимизацию для трех этапов поэтапного дозирования (рис, 23,6), В результате оптимизации нам необходимо определить: время и интенсивность подачи материала на первом этапе Ті, Qi\ время и интенсивность подачи материала на втором этапе Тг, Q21 время и интенсивность подачи материала на третьем этапе Т3, Q3- При этом должен быть обеспечен минимум оптимизация режима поэтапного дозирования
Оптимизация весового дозирования по критерию производительности
Пример №1. Два этапа дозирования. Пусть дозируемая масса М = = 10 кг, абсолютная допускаемая погрешность Дд — 0,01 кг, приведенная погрешность времени дозирования К — 0,1 с, коэффициенте запаса по компенсации погрешности С = 3. Проведем оптимизацию вначале точно, затем приближенно, а потом сравним полученные результаты.
Интенсивность подачи материала на втором этапе определяется из допустимой погрешности дозирования и приведенной погрешности времени дозирования (см. 33): Q2 = ОД кг/с. Время дозирования на первом этапе (см. 35) 7\ = 5,18 с. Время дозирования на втором этапе (см. 34) 2 = 5,48 с. Интенсивность дозирования на первом этапе (см. 37): Q± = 1,83 кг/с. Проведем теперь оптимизацию приближенно (см. 36, 37): Т = 5,48 с, 2i = = 1,73 кг/с. Q При точной оптимизации суммарное,время составило Ті+Тз = 10,65/С, при приближенной оптимизации 2Т — 10,95 с. Как можно заметить, результаты достаточно близкие, а значит, приближенный метод оптимизации вполне может быть использован. Пример №2, Три этапа дозирования. Пусть условия те же, что и в примере 1, но п = 3. Проведем вначале точную оптимизацию. Интенсивность подачи материала на третьем этапе будет (38): ( — 0,1 кг/с. Для определения интенсивности подачи материала на первом этапе необходимо решить уравнение (42): f(Qi) = #-111,1 Qi +3,3 = 0. Используем метод итераций Ньютона (или программу EqSolver, см. диск): AQl) = Ql-JW)=Ql 4Qf - 111,1 ИЛЛЮСТРАТИВНЫЕ ПРИМЕРЫ Таблица 2. Результаты приближения по итерациям (4 этапа дозирования) г Я (с) Ъ(с) Qi (кг/с) і Ъ (с) Тз(с) Qi (кг/с) 0 1,28 5,46 4 1,23 1,28 7,64 1 1,02 1,19 6,71 5 1,22 1,29 7,64 2 1,19 1,23 7,34 6 1,22 1,29 7,64 3 1,23 1,26 7,57 7 1,22 1,29 7,64 Итак, Qi = 4,8 кг/с. Время дозирования на втором этапе (см. 41): Т2 = 2,06 с. Время дозирования на третьем этапе (см. 39): Т3 — 2Д1 с. Время дозирования на первом этапе (см. 40): Т\ = 1,73 с. Интенсивность подачи материала на втором этапе (см. 39): Q2 = 0,7 кг/с. Суммарное время дозирования Т\ + Т2 + Т3, — 5,9 с. Теперь решим задачу оптимизации приближенно (см. 34,35,36): Г = 2,08 с; Q2 = 0 9 кг/с; дг = 4,02 кг/с; ЗГ - 6,24 с. Как можно видеть, приближенное решение дает результаты, мало отличат ющиеся от точного, и вполне может быть использовано. Пример №3. Четыре этапа дозирования. Пусть условия те же, что и в предыдущих примерах оптимизации. Вначале решим задачу оптимизации приближенно. Интенсивность подачи материала на последнем четвертом этапе мы полагаем известной и равной ОД кг/с. Время дозирования на каждом из четырех этапов будет (см. 54): Суммарное время дозирования будет 4Т = 5,13 с. Определим интенсивности подачи материала (см. 55,56,57): Q3 = 0 3 кг/с, Q2 - 1,82 кг/с; Qi- 5,46 кг/с. Решим теперь задачу оптимизации точно (см. 58). Результаты приближения по итерациям сведены в таблицу 2. Итак, Т2 = 1,22 с; Т3 = 1,29 с; Qi - 7,64 кг/с. Остальные определяемые величины (см. 51, 49, 50, 48): Т± = 1,31 с; Q2 — = 1,88 кг/с; Qz = 0,44 кг/с; Тг = 0,92 с; Тх + Т2 + Т3 + Г4 = 4,74 с. ИЛЛЮСТРАТИВНЫЕ ПРИМЕРЫ Как можно видеть, точная оптимизация дала близкий результат по суммарному времени дозирования (4,74 с) по сравнению с приближенным методом (5,13 с). Поэтому приближенный метод привлекательнее в силу своей простоты.
В случае двух- и трехэтапного дозирования оптимизация не представляет сложности. В случае двухэтапного дозирования нам изначально известна интенсивность подачи на первом этапе (максимально допустимая) и на последнем (втором) — исходя из допустимой погрешности. В случае трехташюго дозирования расчет оптимального режима также не представляет трудностей (см, 65).
Проверим результат, полученный в примере 7 для двухэтапного дозирования. Осуществляя оптимизацию по критерию К с ограничением Qi, мы получили значение К. В соответствии с графиком на рис. 27 для 6А = 0,5% для оптимизации двухэтапного дозирования по критерию производительности без ограничения Qi получаем: tA = 4,7 с; Т = д/2 — 2,35 с. Тогда (60; 63): Qt = = 3,75 кг/с. Поскольку Qi = 3,75 кг/с Зкг/с, следовательно, оптимизация проведена правильно.
Проверим результат, полугенный в примере 8 для трехэтапного дозирования. Мы получили К — 0,131 с. По рис. 36 находим ід — 4,8 с; Т = д/3 = 1,6 с. Тогда Qx = 4,04 кг/с 3 кг/с.
Предлагаемая программа предназначена для проведения расчета, направленного на получение оптимального режима дозирования материалов. Рассматривается два подхода к оптимизации дозирования. Первый (мы назвали его «Минимизация времени дозирования } направлен на то, чтобы определить значепия интепсивностей и продолжительностей дозирования на каждом из этапов, которые обеспечивают минимальное суммарное время дозирования. Второй подход (мы назвали его «Минимизация точности ЗЛЄМЄЇЇГОВ ДС») состоит в определении необходимой точности элементов ДС (характеризуемой приведенной погрешностью времени дозирования К"), необходимой для обеспечения заданной производительности и точности дозирования. Исходя из полученного значения К производится определение интепсивностей подачи материала и продолжительности дозирования на этапах. Рассматривается дозирование в два, три и четыре этапа.
