Введение к работе
Актуальность темы Создание конкурентоспособной продукции машиностроения в наибольшей степени обеспечивается точностью ее изготовления, которая последовательно формируется на всех этапах от проектирования технологического процесса изготовления до сборки готового изделия Наиболее важным с точки зрения достижения требуемой точности изделия является процесс изготовления деталей, поэтому повышение точности механической обработки является актуальной проблемой машиностроения
Успешное решение данной проблемы осложняется следующими факторами
Во-первых, непрерывным ростом требований к точности изготовления деталей, что объясняется тенденцией на повышение качества современных конкурентно-способных машин и стремлением улучшить технические характеристики машины, повысить ее надежность, долговечность, геометрические и динамические показатели точности, что невозможно без учета динамических свойств технологической системы
Во-вторых, особенностью современного машиностроения является значительная доля (75 80 %) его продукции, выпускаемая в условиях многономенклатурного производства с частой сменой изделий В связи с этим проблемы обеспечения точности деталей при обработке на многофункциональных станках становятся еще острее и требуют решения Это связано с разработкой и широким применением новых технологических процессов, современного технологического оборудования и инструмента, способных обеспечить требуемую точность деталей и производительность обработки в условиях высокой мобильности и гибкости производства
Выявление на стадии проектирования технологического процесса свойств по его гибкости с учетом обеспечения заданной точности обработки деталей позволяют сформулировать научно-обоснованные требования к технологическим системам по их точности и эффективности
В связи с частой сменой объектов производства и необходимостью расширения технологических возможностей, оборудование и большая номенклатура используемой оснастки должны обладать технической гибкостью, то есть способностью переходить, в пределах установленных технических возможностей, из одного функционального состояния в другое Обеспечение заданной точности обработки детали также требует повышения виброустойчивости всей технологической системы
В третьих, традиционный подход при исследовании точности обработки обычно состоит в том, что сосредотачивается внимание на различных аспектах проблемы точности, т е ограничиваются исследованием отдельных вопросов технологического и конструкторского плана, а не комплексным решением проблемы
В машиностроении при обеспечении точности решаются задачи по совершенствованию станочного оборудования, оснастки и инструмента, изучены вопросы выбора вариантов технологических процессов и оптимальных режимов резания, а также разработаны экспериментально-аналитические методы и модели, позволяющие производить оценку точности обработки на ЭВМ Все это привело к определенному прогрессу Достигнутые результаты требуют решения задач комплексной оценки точности, увязки ее с качеством станочного оборудования, его динамическим состоянием, выбором современных методов обработки, структуры операций и технологического процесса
Кинематика процесса формообразования, переменность припуска и физико-механических свойств заготовки, геомефические параметры инструмента, режимы обработки и теплофизические свойства процесса резания приводят к изменению во времени силового воздействия на технологическую систему и, как следствие этого, к возникновению колебаний, что снижает точность обработки и может стать причиной потери устойчивости динамической системы станка, ограничив его производительность
В связи с этим анализ и разработка теоретических методов, моделирующих процессы механической обработки с учетом динамических погрешностей, вносимых оборудованием, методами обработки, процессом резания, направленных на снижение погрешностей отдельных переходов, а также повышение точности путем оптимизации построения технологического процесса, являются актуальной проблемой машиностроения
Целью работы является улучшение качества машиностроительной продукции за счет повышения точности механической обработки на многофункциональном технологическом оборудовании на основе разработки моделей формирования погрешностей с учетом динамических процессов возникающих при резании в различных условиях обработки, а также повышение точности за счет оптимизации структуры технологического процесса
Основанием для выполнения работы послужили Комплексные программы повышения технического уровня производства агрегатов ТРА на 1983 - 1990 г г (Постановление С М СССР № 526), тематический план НИР ОмГТУ, финансируемый из средств федерального бюджета по единому заказ - наряду Министерства Образования РФ, г/б темы № Ф10-96, № Ф1-99, № 1 01 Ф, № 1 03 Ф, целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008г)»
Методология и методы исследования. В качестве общей методологической основы использован системный подход, заключающийся в анализе точности изделий как большой проблемы машиностроения, одной из составляющих которых является проблема обеспечения точности
механической обработки в многономенклатурном производстве, установлений влияния доминирующих факторов на точность обработки Так при исследовании погрешностей, вносимых колебательными процессами, проводится мониторинг состояния оборудования по вибрационной активности с помощью виброколлектора СК-1100 и двухканального анализатора вибраций ДИАНА-2М
Теоретические исследования проводились на базе основных положений и методов теории резания металлов, технологии машиностроения, механики твердого тела, теории упругости и теории колебаний, теории математического и физического моделирования с использованием методов вычислительной математики Для разработки математических моделей использовались результаты исследований динамических характеристик станков различных групп, проведенных автором и другими исследователями
Экспериментальные исследования проводились по известным и разработанных автором методикам в лабораторных и производственных условиях с применением методов планирования эксперимента и обработки их результатов Широко использовались возможности современных ПЭВМ как для расчета, так и для исследования модели
Объектами исследований являлись станки традиционных компоновок и опытные образцы, созданные на базе механизмов с параллельной кинематикой типа "Гексопод" и образцов, созданных по изобретениям А С № 1349954, № 1815122
С помощью экспериментальных исследований подтверждена достаточная для инженерных расчетов адекватность разработанных математических моделей
Научная новизна работы состоит в разработке концепции повышения точности механической обработки на многофункциональном оборудовании в условиях многономенклатурного производства, состоящей из обоснования последовательности выполнения переходов и операций технологического процесса с позиции обеспечения заданной точности и определении погрешности обработки с учетом динамического качества оборудования Создание научных основ и методик расчета рациональных параметров оборудования и режимов резания для повышения виброустойчивости и технологической надежности станков при механической обработке
- Установлена возможность обеспечивать точность и гибкость
технологического процесса за счет оптимизации его структуры
Предложена теория формирования операции и процесса в целом, позволяющая достигать заданное качество и производительность обработки
Разработаны обобщенные физические и математические модели динамики несущей системы станков серийного выпуска и станков с параллельной кинематикой
Разработана математическая модель автоколебаний технологической системы при точении валов, в которой источником возбуждения является
падающая характеристика силы резания и запаздывание силы от перемещения
- Раскрыта взаимосвязь между колебательными процессами и кинематическими приращениями глубины резания, подачи и скорости резания при поперечных колебаниях и определена степень влияния этих приращений на условия возбуждения колебаний и устойчивость системы с нелинейными зависимостями силы от скорости и перемещения
Установлено, что при чистовом точении технологически нежестких валов резцами с зачищающей режущей кромкой падающая характеристика силы резания является основным, а запаздывание силы от перемещения несущественным источником первичного возбуждения автоколебаний
Разработаны основные положения по обеспечению точности
принципиально новых поколений технологического оборудования с
параллельной кинематикой, обладающих свойствами
многофункциональности, гибкости и переналаживаемости, на основе повышения их качества путем рационального проектирования узлов несущей системы
Предложены основные направления развития металлообрабатывающего оборудования для многономенклатурного производства
Решена задача повышения виброустойчивости станков на основе использования виброгасящих устройств с тонкостенными упругими элементами и распределенной нагрузкой, величина которой может регулироваться по заданному закону Устройство может использоваться в адаптивных системах
Практическая ценность. Результаты научных исследований вносят существенный вклад в технологию машиностроения и станкостроения, раскрывая сущность образования погрешностей при механической обработке деталей на многофункциональном оборудовании, в частности, на многооперационных станках и станках с параллельной кинематикой Направления и перспективы развития подобного оборудования (рекомендации по проектированию и эксплуатации), вопросы оптимизации режимов обработки и структуры технологических процессов, предложенные в диссертационной работе, позволяют значительно расширить область их практического использования в металлообработке
Для руководства и использования в проектной инженерной деятельности предлагаются
- методика проектирования гибких технологических процессов для
многономенклатурного производства с заданной точностью,
- методика установления отношений следования операций и переходов с
обеспечением требования по точности при изготовлении деталей в условиях
ГПС,
- алгоритм определения вариантов последовательности операций
механической обработки,
обоснование выбора рационального состава технологического оборудования по критерию максимальной производительности и точности,
математические модели динамики многофункционального оборудования (серийного выпуска и опытных образцов на базе механизмов с параллельной кинематикой), алгоритмы и программы, позволяющие решать практические задачи по оценке точности многофункционального оборудования на стадии его проектирования и при эксплуатации, а также обеспечивать необходимую точность обработки при проектировании технологических процессов,
рекомендации по оптимизации режимов резания,
рекомендации по расчету и применению виброгасящих устройств Реализация результатов работы
При проектировании и создании опытных образцов реализованы полностью или частично признаки изобретений А С № 1195102, А С № 1236242, А С № 1244407, А С № 1505893, А.С № 1349954, А С № 1337227, . А С № 1815122,АС№ 1245419,АС №1245418
Результаты исследований внедрены на ФГУП ОМО им П И Баранова, в Омском машиностроительном конструкторском бюро и ФГУП «Омский завод Подъемных машин»
Научные разработки автора работы внедрены в учебном процессе и используются при чтении курсов «Расчет и испытание станков на точность», «Конструирование, расчет и САПР станков и станочных комплексов», а также в курсовом и дипломном проектировании
Основные положения, выносимые на защиту. Концепция повышения точности механической обработки на многофункциональном оборудовании в условиях многономенклатурного производства, которая базируется на системном методологическом подходе к проблеме повышения точности и связывает в единое целое технологическое проектирование
выбор методов обработки и их реализацию в технологических переходах,
синтез операций из совокупности переходов,
выбор (или разработка задания на проектирование) технологического оборудования, оснастки и инструмента,
определение последовательности выполнения операций с соблюдением требований по точности и производительности обработки
Основу этапов проектирования составляют методики по установлению отношений следования операций и переходов, алгоритмизации определения последовательности обработки, обеспечению точности обработки
Решение задачи снижения погрешности отдельных методов обработки и переходов, исходя из принципа отклонения траектории движения формообразования под действием соответствующих сил, можно представить как состоящую из постоянной и переменной (вибросмещения) составляющих
Результатом данных отклонений траектории взаимного движения инструмента и заготовки является погрешность обработанной поверхности, состоящей из постоянной и переменной составляющих погрешностей детали А так как
амплитуда вибросмещения достигает значительных величин, соизмеримых с допустимыми на линейные размеры, то и пофешность, включая вибрации, может влиять не только на микронеровности и волнистость, но и на точность размеров, формы и взаимного расположения поверхностей В связи с этим исследования пофешностей, вносимых упругими деформациями технологической системы и колебательными процессами, являются важными для определения общих пофешностей механической обработки
Для повышения точности отдельных переходов предлагается
методика комплексной оценки точности многофункционального металлообрабатывающего оборудования на основе учета геометрических, кинематических и динамических погрешностей,
обобщенные физические и математические модели динамики многофункционального оборудования, алгоритмы и профаммы расчета динамических параметров станков,
математическая модель оценки точности обработки на многооперационном станке,
математическая модель и результаты исследования динамики виброгасящих устройств с тонкостенными упругими элементами с распределенной нафузкой,
результаты комплексного исследования многофункционального технологического оборудования нетрадиционных компоновок на базе механизмов с параллельными структурами,
математическая модель автоколебаний при обработке валов на токарном станке и исследования условий безвибрационной работы,
- методика определения оптимальных режимов резания
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертация докладывались и обсуждались на всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы создания гибких производственных систем и роль САПР при внедрении «безлюдной» технологии в промышленности» (Москва, 1986 г), на всесоюзной научно-технической конференций «Автоматизированное проектирование машин, оборудования, приборов и технологических процессов в машиностроении» (Устинов, 1986 г), на региональной научно-технической конференции «Разработка и внедрение гибких производственных систем для механической обработки» (Омск, 1987 г), на региональном научно-техническом совещании «Прогрессивные методы проектирования и конструкции механообрабатываюшего оборудования» (Омск, 1987 г), на всесоюзной научно-практической конференции «Проблемы создания и внедрения гибких производственных и робототехнических комплексов на предприятиях машиностроения» (Одесса, 1989 г), на зональной научно-технической конференции «Проектирование и эксплуатация промышленных гидроприводов и систем гидропнемоавтоматики» (Пенза, 1989 г), на зональном семинаре «Состояние, опыт и направление работ по комплексной автоматизации на основе ГПМ, РТК и РР» (Пенза, 1989 г), на зональной
научно-технической конференции «Совершенствование процессов резания и средств автоматизации для повышения производительности гибких станочных систем» (Курган, 1990 г), на республиканской научно-технической конференции «Создание интегрированных гибких компьютеризированных производств в области механической обработки и опыт их эффективной эксплуатации в промышленности» (Киев, 1990 г), на научном семинаре «Новая технология, оборудование, оснастка и инструмент для механической обработки и сборки» (Москва, 1990 г), на XXX научной конференции «Ресурсосберегающие технологии Проблемы высшего образования» (Омск, 1994 г), на международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, в 1995, 1997, 1999, 2002, 2004 гг ), на техническом конгрессе «Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения» (Омск, 2001 г), на научно-практической конференции «Машиностроительная отрасль -будущее России» (Омск, 2004 г), на семинаре кафедры «Металлорежущие станки и инструменты» и научтгой конференции ОмГТУ, проведенных в период 1972-2006 гг
Публикации. Содержание диссертаций опубликовано в 85 работах, включая три монографии, 11 патентов и авторских свидетельств на изобретение и трех зарегистрированных отчетов по НИР
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка из 179 наименований и приложения Основной текст изложен на 319 страницах машинописного текста, включает 10 таблиц и 129 рисунков
