Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Энергетическая характеристика процесса резания материалов 11
1.1. Термодинамика процесса резания (энергия, работа, теплота, мощность) 11
1.2. Экономия энергии при резании материалов 13
1.3. Энергетические концепции разрушения твердых тел 15
1.4. Энергетические соотношения при резании материалов 19
1.4.1. Работа резания и ее составляющие 19
1.4.2. Работа деформации в плоскости сдвига 21
1.4.3. Работа образования новой поверхности 24
1.5. Оптимизация процессов механической обработки по энергетическим критериям. Состояние вопроса 26
1.5.1. Построение оптимизационных алгоритмов 26
1.5.2. Критерии оптимальности механической обработки 29
1.5.2.1. Классы критериев оптимальности 29
1.5.2.2. Критерий оптимальной температуры резания 30
1.5.2.3. Энергетический критерий А 32
1.5.2.4. Критерий минимальной удельной энергоемкости 33
1.6. Выводы 37
ГЛАВА 2. Цель, задачи и методика исследований 38
2.1. Цель 38
2.2. Задачи 38
2.3. Методика проведения исследований 39
2.3.1. Структурная схема исследований 39
2.3.2. Методика теоретических исследований 40
2.3.3. Методика экспериментальных исследований 43
ГЛАВА 3. Энергетическая эффективность процессов лезвийной обработки 54
3.1. Формулирование критериев эффективности 54
3.2. Оценка энергетической эффективности лезвийной обработки при изменении мощности резания во времени 58
3.2.1. Причины и схемы изменения мощности 58
3.2.2. Энергоемкость удаления припуска и образования новых поверхностей лезвийными инструментами 63
3.2.3. Удельная работа резания 66
3.2.4. Показатели энергетической эффективности 69
3.3. Энергетическая эффективность наружного точения 71
3.4. Энергетическая эффективность цилиндрического фрезерования 79
3.5. Энергетическая эффективность разрезания 88
3.6. Энергетическая эффективность совокупности рабочих ходов. Распределение предварительного припуска 94
3.7. Выводы 97
ГЛАВА 4. Влияние управляемых факторов технологической системы на энергетические показатели процесса резания 99
4.1. Исследование влияния технологических факторов на энергетическую эффективность продольного точения 99
4.2. Исследование влияния технологических факторов на энергетическую эффективность поперечного точения 105
4.3. Исследование влияния технологических факторов на энергетическую эффективность цилиндрического фрезерования 110
4.4. Исследование влияния технологических факторов на энергетическую эффективность разрезания проката дисковой пилой 118
4.5. Выводы 122
ГЛАВА 5. Установление рациональных параметров лезвийной обработки по критерию наибольшей энергетической эффективности процесса резания 124
5.1. Обобщенная модель параметрической оптимизации 124
5.2. Реализация модели для наружного точения 129
5.3. Реализация модели для цилиндрического фрезерования 132
5.4. Реализация модели для разрезания 135
5.5. Рекомендации производству 139
5.5.1. Прикладная программа RezecJJPTIMA 139
5.5.2. Прикладные программы Freza RAVN и Freza OPTIMA 145
5.5.3. Прикладная программа Pila OPTIMA 153
5.6. Выводы 156
Общие выводы и результаты 157
Заключение 160
Список литературы 161
Приложения 172
- Построение оптимизационных алгоритмов
- Энергоемкость удаления припуска и образования новых поверхностей лезвийными инструментами
- Исследование влияния технологических факторов на энергетическую эффективность поперечного точения
- Реализация модели для цилиндрического фрезерования
Введение к работе
Актуальность проблемы. Благодаря высокой технологической универсальности процесса резания, обработка материалов лезвийными инструментами занимает до 75 % трудоемкости изготовления машиностроительных изделий — особенно при мелкосерийном типе производства, когда используются заготовки приближенных форм со значительными припусками, напусками, допусками (прокат, отливки, кованые поковки). Образование одной тонны стружки сопровождается расходом в среднем 450...600 кБт-ч электроэнергии и более ([61, 65]). Удельный вес энергетической составляющей в структуре себестоимости продукции ранее составлял 2...5 %, в течение последних лет достигает 18...25 % и имеет тенденцию к росту. Поэтому снижение энергетических затрат является актуальной научной и прикладной задачей, от эффективного решения которой зависит рентабельность производства и конкурентоспособность выпускаемых изделий.
Уровень потребляемой электрической энергии и потери в приводе металлорежущего оборудования определяются величиной работы образования стружки, которая, в свою очередь, зависит от управляемых параметров процесса резания: характеристик инструмента, скоростей главного движения и подачи, размеров срезаемого слоя и др. На практике при выборе условий формообразования применяют технико-экономические критерии, которые затруднительно использовать для оценки энергозатрат. До сих пор не разработаны методики нормирования параметров лезвийной обработки, обеспечивающие качество и производительность за счет обоснованного количества работы режущего клина. Создание и внедрение таких методик сдерживается многовариантностью требований, предъявляемых к лезвийной обработке, и отсутствием критериев, связывающих подводимую к заготовке энергию с термодинамическим состоянием конструкционного материала, параметрами инструментов и режимами резания.
Целью работы является снижение энергозатрат при лезвийной обработке на основе термодинамических критериев эффективности процесса резания.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
Разработать комплекс энергетических критериев для установления рациональных условий лезвийной обработки.
Выявить причины и закономерности изменения мощности резания и их взаимосвязь с энергетическими показателями стружкообразования.
Разработать метод расчета потенциальной энергоемкости конструкционных материалов при резании.
Аналитически и экспериментально исследовать влияние геометрических параметров лезвийных инструментов и режимов резания на энергетическую эффективность токарной и фрезерной обработки. Определить приоритетные направления снижения энергозатрат.
Разработать модель и алгоритм параметрической оптимизации переходов лезвийной обработки по критерию наибольшей энергетической эффективности.
Разработать и рекомендовать производству пакет прикладных программ для нормирования рациональных режимов точения, цилиндрического фрезерования и разрезания, позволяющих минимизировать энергозатраты при обеспечении качества, производительности обработки и стойкости режущего инструмента.
Объектом исследований являются способы формообразования поверхностей деталей машин инструментами, имеющими одно или несколько режущих лезвий: резцами, фрезами, дисковыми пилами. Исследована обработка заготовок из конструкционных углеродистых и легированных (хромистых) сталей, серых и ковких чугунов на токарных, фрезерных и круглопильных станках и автоматах.
Научная новизна работы отражена в следующих положениях:
Эффективность процесса резания оценена энергетическими показателями, определяемыми отношением потенциальной энергоемкости обрабатываемого материала к подведенным удельным энергозатратам.
Расчет потенциальной энергоемкости конструкционных материалов при резании осуществлен на основе их механических и теплофизических свойств с
учетом характера разрушения материалов, назначения технологических переходов и типа образующихся стружек.
3. Закономерности изменения мощности резания систематизированы в виде
четырех схем, каждую из которых характеризуют коэффициенты аппроксимации,
пропорциональные величине энергозатрат.
4. Выявлены функциональные взаимосвязи показателей энергетической
эффективности лезвийной обработки с геометрическими параметрами инструмен
тов, режимами резания и закономерностями изменения мощности.
Практическую значимость работы составляют алгоритмы поиска энергетически экономичных параметров лезвийных инструментов и режимов резания, реализованные в виде пакета прикладных программ («Rezec_OPTIMA», «Freza_RAVN», «Freza_OPTIMA», «Pila_OPTIMA») с возможностью адаптации к конкретным производственным условиям.
Реализация работы. Результаты и методики исследований использованы в рамках энергетических аудитов и паспортизации промышленных предприятий Владимирской области, выполненных ООО «Муромский центр энергосбережения» в период с 1999 по 2003 гг.; хоздоговорных НИР Владимирского государственного университета (ВлГУ) по темам: № ХД 2985/03 «Исследование причин отказов и разработка оптимальных технологий ремонта и изготовления, обеспечивающих повышение долговечности деталей зубчатых зацеплений и шлицевых соединений узлов путевых машин применительно к условиям СПМС-318» (заказчик - филиал ОАО «РЖД» - «Горьковская железная дорога», г. Н.Новгород, 2003 -2004 гг.), № 3053/04 «Разработка конструкторской и технологической документации на производство соединителя электротягового СЭТ-37» (заказчик - ООО «Муромпромтехснаб», округ Муром, 2004 г.). Положения диссертации использованы в учебном процессе при изучении дисциплин «Технология машиностроения», «Автоматизированное проектирование инструментов, инструментальной оснастки и технологии их изготовления».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Управление в технических системах» (г. Ковров, 1998 г.), Пятой Международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 1999 г.), Первой Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Н. Новгород, 1999 г.), научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении» (г. Пенза, 1999 г.), Международной молодежной конференции «XXXII Гагарине кие чтения» (г. Москва, 2000 г.), III Международной научно-технической конференции «Производственные технологии» (г. Владимир, 2000 г.), XXXII Уральском семинаре «Механика и процессы управления» (г. Миасс, 2002 г.), INTERNET-конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск, 2003 г.), а также научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВлГУ в период с 1998 по 2004 тт.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 33 печатные работы [6, 25,28-36, 38-44 и др.].
При проведении работы получены следующие результаты:
На основе структурной модели трансформации энергии в зоне резания получен комплекс показателей энергетической эффективности лезвийной обработки. Показатели выражают отношение потенциальной энергоемкости обрабатываемого материала к подведенным удельным энергозатратам, позволяют определять рациональные параметры режущих инструментов и режимы их эксплуатации.
Анализом геометрико-кинематических особенностей лезвийной обработки установлены причины нестабильности мощности в технологических системах. Закономерности изменения мощности систематизированы в виде четырех схем, для каждой из которых установлены коэффициенты аппроксимации, пропорциональные величине энергозатрат.
На основе термодинамической и деформационной концепций разрушения получен метод расчета потенциальной энергоемкости конструкционных материалов, учитывающий характер их разрушения при резании (хрупкое, квазихрупкое, вязкое), назначение технологического перехода (предварительный или окончательный) и тип образующейся стружки. Для определения энергоемкости использованы показатели прочности и пластичности, плотность поверхностной энергии и энтальпия плавления.
Теоретически и экспериментально исследовано влияние управляемых факторов технологической системы на энергетические показатели точения, фрезерования и разрезания. Установлено:
повышению энергетической эффективности процесса резания в наибольшей степени способствует форсирование минутной подачи до значений, ограничиваемых требуемыми качеством обработки, стойкостью инструмента и возможностями оборудования;
при одной и той же производительности наружного точения энергетически более эффективным является увеличение подачи на оборот в противоположность частоте вращения шпинделя;
при увеличении скорости резания энергетическая эффективность токарной обработки возрастает благодаря пропорциональному росту производительности, а фрезерной — снижается ввиду уменьшения подачи на зуб;
одновременное увеличение переднего угла с 0 до 10 и главного угла в плане с 45 до 90 твердосплавных токарных резцов способствует повышению энергетической эффективности точения на 6...9 %. При использовании быстрорежущих резцов установлен экстремальный характер зависимости энергозатрат от главного угла в плане, имеющей минимум при <р « 60;
энергетическая эффективность попутного цилиндрического фрезерования в среднем на 9... 12 % выше, чем встречного, и снижается с увеличением глубины резания;
с повышением площади срезаемого слоя энергетическая эффективность применения цилиндрических фрез и дисковых пил с крупными зубьями по сравнению с мелкозубыми возрастает до 29 %.
Разность между экспериментальными и расчетными значениями не превышает 25 %.
При цилиндрическом фрезеровании сталей выявлена взаимосвязь энергетически экономичного распределения припуска между рабочими ходами с соотношением скоростей резания и минутных подач.
Создана математическая модель регулирования подачи дисковой пилы с целью стабилизации мощности разрезания стального цилиндрического проката на фрезерно-отрезных автоматах.
Разработаны модели и алгоритмы оптимизации параметров точения, фрезерования и разрезания по критерию наибольшей энергетической эффективности, Систему ограничений составляют требования операционного эскиза и технологические характеристики оборудования, корректируемые в конкретной производственной ситуации.
Оптимизационные алгоритмы реализованы в виде пяти прикладных программ и апробированы при технологической подготовке производства деталей ремонтных путевых железнодорожных машин и рельсового электросоединителя. Снижение энергетических затрат при переходе на экономичные параметры формообразования достигает 18...22 % при обеспечении заданной стойкости режущих инструментов, точности и шероховатости полученных поверхностей и производительности обработки.
Автор выражает признательность профессору кафедры «Технология машиностроения» Муромского института (филиала) Владимирского государственного университета Швецову Анатолию Николаевичу за помощь и ценные советы при работе над диссертацией,
Построение оптимизационных алгоритмов
Построению оптимизационных алгоритмов в литературе уделено достаточно большое внимание [3 - 5, 16, 18,22,23,59,66,70,71,79,81,83,85, 102, 113].
Оптимизация - нахождение экстремальной величины некоторого показателя, характеризующего эффективность объекта исследования; этот показатель называется критерием оптимальности и записывается в виде целевой функции. Если функция У характеризует положительные свойства объекта, то ведут поиск ее максимального значения Ymax, если отрицательные - минимального В технологии машиностроения задача оптимизации состоит в нахождении вектора управляемых параметров (v, s, t, D, В, z, а, у, cp, cpj, a , / ...), при котором: а) целевая функция У достигает экстремальной величины б) выполняется система ограничений, отражающих возможности для во площения результатов оптимизации в условиях предприятия, цеха, участка, стан ка. В качестве ограничений принимают: прочность, жесткость, стойкость, режу щие способности инструментов; технологические ресурсы оборудования; показа тели качества обработанных поверхностей и др. Целевая функция Y составляется в соответствии с критерием оптимальности при соблюдении следующих условий: адекватное отражение свойств объекта оптимизации; наличие физического смысла; возможность формализации в математическом виде; определение с достаточной точностью. Комплексный подход к разработке оптимальных процессов механической обработки, предложенный Э.В. Рыжовым и В.И. Аверченковым [83], содержит два вида оптимизации: 1) структурная оптимизация - выбор оптимального вида, способа получения и технологического маршрута обработки заготовки; 2) параметрическая оптимизация - определение оптимальных припусков, параметров инструмента, режимов резания, состава СОТС и т.п. по операциям и переходам технологического маршрута.
В [83] не рассматриваются вопросы сокращения энергетических затрат при формообразовании деталей резанием. Авторами подробно анализировались лишь экономические критерии оптимальности: минимальная себестоимость, наименьшие приведенные народнохозяйственные затраты и др.
Для различных способов лезвийной обработки практикуется оперативное определение рациональных технологических параметров с применением эмпирических зависимостей [12, 68, 89, 91], связывающих элементы режима резания со стойкостью инструмента, силой и мощностью резания; они разработаны для широкого спектра материалов и положены в основу большинства математических моделей процесса резания. Например, тангенциальную составляющую силы резания Pz, Н, вносящую наибольший вклад в энергозатраты лезвийной обработки, определяют по следующим формулам: - Встречающиеся в литературе [3 - 5, 16, 22, 23, 59, 66, 70, 71, 79, 83, 85, 113] критерии оптимальности можно условно разделить на экономические и физические. Величина критериев, относящихся к первому классу, рассчитывается на основе факторов экономического анализа. К числу таких факторов относятся: расходы на заработную плату и социальные отчисления; расходы на материалы; расходы за потребленные энергетические ресурсы; расходы на инструментальное обеспечение, техническое обслуживание рабочих мест; амортизационные отчисления. В настоящее время как сами перечисленные факторы, так и практикующиеся алгоритмы их определения, носят изменчивый, слабо прогнозируемый характер при переходе от исследования одного предприятия к другому. В связи с этим использование экономических критериев для разработки научно обоснованной методики повышения эффективности технологических процессов затруднительно. Вопрос о взаимосвязи наиболее распространенных критериев (минимальная себестоимость, наименьшие приведенные хозрасчетные затраты, удельные приведенные затраты) с составляющими энергопотребления технологических систем требует теоретического анализа и ранее в литературе не освещался.
Результаты оптимизации по физическим критериям не зависят от экономики производства и определены физическими закономерностями взаимодействия инструмента и заготовки [93]. В.К. Старков указал на перспективность энергетических критериев, потому что различные способы обработки подчиняются единым энергетическим закономерностям и основываются на единых энергетических принципах: реализация любого из них заключается в получении конечного продукта путем целенаправленной трансформации одних видов энергии в другие. В качестве энергетических критериев применяются оптимальная температура [4, 58, 59], энергетический критерий А [47, 86, 87] и минимальная удельная энергоемкость [61, 62, 92 - 94].
В. Рейхелем [78] в 1936 г. сформулирован принцип, согласно которому оптимальному периоду стойкости инструмента для заданной пары «конструкциейный материал - инструментальный материал» соответствует одна и та же температура резания 60, не зависящая от комбинации параметров резания. При температуре 60 создаются условия, при которых обеспечивается минимум интенсивности изнашивания инструмента, а поверхностный слой детали приобретает наименьшие шероховатость и наклеп. А.Д. Макаров [58, 59] обосновал положение о постоянстве оптимальной температуры резания 0О; работа при этой температуре обеспечивает минимальные значения сил резания и наилучшие свойства поверхностного слоя.
В работах С.С. Силина [86, 87] указывается, что оптимальная температура 60, меняясь при переходе от одной пары «инструмент - заготовка» к другой, сохраняет свое постоянное значение. Так, при обработке стали 40Х резцом с пластинкой из твердого сплава Т15К6 оптимальная температура составляет 90 =750 С. Независимость величины 60 от различных технологических параметров, структуры и свойств материала заготовки позволяет считать температуру 0О обобщенной технологической константой пары «конструкционный материал — инструментальный материал».
Энергоемкость удаления припуска и образования новых поверхностей лезвийными инструментами
Снижение энергозатрат при переходе на рассчитанные режимы точения при тех же значениях ограничивающих факторов (стойкости, производительности, требуемых показателей качества обработки) в среднем достигает 22 %, а при черновой обработке стали 45 резцом с пластиной твердого сплава Т5К10 — 43%.
В зависимости от глубины резания t, лш, установлено, что при окончательной токарной обработке {t = 1 мм) основными лимитирующими факторами при снижении энергозатрат являются шероховатость [Ra], допуск на диаметр обработанной поверхности [д] и стойкость [Т1]; при получистовом (t 2 мм) и черновом (? = 3; 5 мм) точении — шероховатость [Ra] и мощность электродвигателя привода главного движения [ЛГ]. При анализе данных таблиц 5.1 - 5.4 прослеживается обратно пропорциональная зависимость энергозатрат е от производительности обработки (минутной подачи sM ). В связи с этим, дальнейшее снижение энергоемкости точения возможно при форсировании режимов резания за счет, например, применения в качестве инструментального материала синтетических алмазов и минералокерамики, а также нанесения на режущую часть резцов износостойких покрытий из карбидов, нитридов, боридов или салицидов тугоплавких металлов.
Практическое применение режимов резания, приведенных в таблицах 5.1 -5.4, возможно при достаточной жесткости системы «станок - приспособление -инструмент - деталь» и обеспечении средств безопасного дробления и эвакуации стружки из зоны обработки.
Тексты программ FrezaJRAVN и Freza_OPTIMA приведены в приложениях Б и В соответственно. Примеры работы программ с конкретными числовыми данными проиллюстрированы на рисунках 5.5 и 5.6.
В таблице 5.5 приведены результаты расчета геометрических параметров цельных быстрорежущих фрез по ГОСТ 3752-71, отвечающих условию равномерного фрезерования при заданной ширине фрезерования В. Соблюдение условия, содержащегося в примечании к таблице, обеспечивает одновременный контакт с заготовкой не менее трех винтовых зубьев фрезы, что повышает плавность стружкообразования и дает возможность увеличить минутную подачу (с целью снижения энергозатрат). В соответствии с приведенными параметрами фрез в таблице 5.6 даны режимы фрезерования, соответствующие минимуму энергозатрат и условию равномерности процесса резания. Из анализа данных таблицы, полученных с помощью программы Freza_OPTIMA, следует, что условие равномерности целесообразно, в первую очередь, соблюдать при чистовой обработке, При больших значениях глубины резания применение мелкозубых фрез становится энергетически не эффективным, поскольку влечет необходимость снижения подачи на зуб и, как следствие, производительности.
В таблице 5.7 представлены рациональные режимы обработки стальных поковок фрезами с пластинами твердого сплава, полученные по критерию К — max. С увеличением ширины фрезерования В основным лимитирующим фактором становится допустимый крутящий момент на шпинделе фрезерного станка [М\. Значения ограничивающих факторов приняты по согласованию с ведущим предприятием — ОАО «Муромский машиностроительный завод» — и соответствуют паспортным данным имеющихся консольно-фрезерных станков. В таблице 5,8 для случая цилиндрического фрезерования отливок из чугуна СЧ25 показана зависимость комплекса энергетически экономичных режимов резания от допустимой величины [М]: с увеличением последнего значительно возрастает минутная подача и снижаются энергозатраты.
Снижение удельных энергетических затрат при фрезеровании составило 10... 18 % и оценивалось путем сравнения расчетных величин е и К с соответствующими показателями, характеризующими режимы резания, принятые на предприятии, либо приводимые в справочной литературе [12, 68, 69, 91 и др.].
Исследование влияния технологических факторов на энергетическую эффективность поперечного точения
На основе структурной модели трансформации энергии в зоне резания получен комплекс показателей энергетической эффективности лезвийной обработки. Показатели выражают отношение потенциальной энергоемкости обрабатываемого материала к подведенным удельным энергозатратам, позволяют определять рациональные параметры режущих инструментов и режимы их эксплуатации.
Анализом геометрико-кинематических особенностей лезвийной обработки установлены причины нестабильности мощности в технологических системах. Закономерности изменения мощности систематизированы в виде четырех схем, для каждой из которых установлены коэффициенты аппроксимации, пропорциональные величине энергозатрат.
На основе термодинамической и деформационной концепций разрушения получен метод расчета потенциальной энергоемкости конструкционных материалов, учитывающий характер их разрушения при резании (хрупкое, квазихрупкое, вязкое), назначение технологического перехода (предварительный или окончательный) и тип образующейся стружки. Для определения энергоемкости использованы показатели прочности и пластичности, плотность поверхностной энергии и энтальпия плавления.
Теоретически и экспериментально исследовано влияние управляемых факторов технологической системы на энергетические показатели точения, фрезерования и разрезания. Установлено: повышению энергетической эффективности процесса резания в наибольшей степени способствует форсирование минутной подачи до значений, ограничиваемых требуемыми качеством обработки, стойкостью инструмента и возможностями оборудования; при одной и той же производительности наружного точения энергетически более эффективным является увеличение подачи на оборот в противоположность частоте вращения шпинделя; при увеличении скорости резания энергетическая эффективность токарной обработки возрастает благодаря пропорциональному росту производительности, а фрезерной — снижается ввиду уменьшения подачи на зуб; одновременное увеличение переднего угла с 0 до 10 и главного угла в плане с 45 до 90 твердосплавных токарных резцов способствует повышению энергетической эффективности точения на 6...9 %. При использовании быстрорежущих резцов установлен экстремальный характер зависимости энергозатрат от главного угла в плане, имеющей минимум при ф да 60; энергетическая эффективность попутного цилиндрического фрезерования в среднем на 9... 12 % выше, чем встречного, и снижается с увеличением глубины резания; с повышением площади срезаемого слоя энергетическая эффективность применения цилиндрических фрез и дисковых пил с крупными зубьями по сравнению с мелкозубыми возрастает до 29 %. Разность между экспериментальными и расчетными значениями не превышает 25 %. 5. При цилиндрическом фрезеровании сталей выявлена взаимосвязь энергетически экономичного распределения припуска между рабочими ходами с соотношением скоростей резания и минутных подач. 6. Создана математическая модель регулирования подачи дисковой пилы с целью стабилизации мощности разрезания стального цилиндрического проката на фрезерно-отрезных автоматах. 7. Разработаны модели и алгоритмы оптимизации параметров точения, фрезерования и разрезания по критерию наибольшей энергетической эффективности. Систему ограничений составляют требования операционного эскиза и технологические характеристики оборудования, корректируемые в конкретной производственной ситуации. 8. Оптимизационные алгоритмы реализованы в виде пяти прикладных программ и апробированы при технологической подготовке производства деталей ремонтных путевых железнодорожных машин и рельсового электросоединителя. Снижение энергетических затрат при переходе на экономичные параметры формообразования достигает 18...22 % при обеспечении заданной стойкости режущих инструментов, точности и шероховатости полученных поверхностей и производительности обработки. В настоящей диссертационной работе решена задача параметрической оптимизации переходов токарной и фрезерной обработки заготовок по критерию наибольшей энергетической эффективности процесса резания. В итоге получила дальнейшее развитие теория оптимизации технологических процессов машиностроительных производств. Предложено использовать энергетические показатели для обоснованного выбора марки материала режущей части и типоразмеров резцов, цилиндрических фрез, дисковых пил, а также режимов их эксплуатации. Среди направлений дальнейших исследований можно выделить следующие: 1. Распространение предложенного подхода к снижению энергозатрат при других видах лезвийной и абразивной обработки, а также при много инструмент-ных технологических наладках. 2. Применение энергетических критериев для оптимизации бесстружечных способов формообразования, термической, химико-термической, электроэрозионной, лазерной обработки и других энергоемких технологических процессов. 3. Совершенствование методов расчета силы и мощности резания на основе теории подобия, что позволит перейти от эмпирических зависимостей к аналитическим с аргументами в виде безразмерных комплексов. 4. Разработка методики снижения энергетических потерь в электрической и механической частях приводов металлообрабатывающего оборудования. 5. Проектирование энергосберегающих технологий на основе адаптивного управления процессом резания по критерию минимума энергозатрат.
Реализация модели для цилиндрического фрезерования
Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Управление в технических системах» (г. Ковров, 1998 г.), Пятой Международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 1999 г.), Первой Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Н. Новгород, 1999 г.), научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении» (г. Пенза, 1999 г.), Международной молодежной конференции «XXXII Гагарине кие чтения» (г. Москва, 2000 г.), III Международной научно-технической конференции «Производственные технологии» (г. Владимир, 2000 г.), XXXII Уральском семинаре «Механика и процессы управления» (г. Миасс, 2002 г.), INTERNET-конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск, 2003 г.), а также научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВлГУ в период с 1998 по 2004 тт.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 33 печатные работы [6, 25,28-36, 38-44 и др.]. При проведении работы получены следующие результаты: 1. На основе структурной модели трансформации энергии в зоне резания получен комплекс показателей энергетической эффективности лезвийной обработки. Показатели выражают отношение потенциальной энергоемкости обрабатываемого материала к подведенным удельным энергозатратам, позволяют определять рациональные параметры режущих инструментов и режимы их эксплуатации. 2. Анализом геометрико-кинематических особенностей лезвийной обработки установлены причины нестабильности мощности в технологических системах. Закономерности изменения мощности систематизированы в виде четырех схем, для каждой из которых установлены коэффициенты аппроксимации, пропорциональные величине энергозатрат. 3. На основе термодинамической и деформационной концепций разрушения получен метод расчета потенциальной энергоемкости конструкционных материалов, учитывающий характер их разрушения при резании (хрупкое, квазихрупкое, вязкое), назначение технологического перехода (предварительный или окончательный) и тип образующейся стружки. Для определения энергоемкости использованы показатели прочности и пластичности, плотность поверхностной энергии и энтальпия плавления. 4. Теоретически и экспериментально исследовано влияние управляемых факторов технологической системы на энергетические показатели точения, фрезерования и разрезания. Установлено: повышению энергетической эффективности процесса резания в наибольшей степени способствует форсирование минутной подачи до значений, ограничиваемых требуемыми качеством обработки, стойкостью инструмента и возможностями оборудования; при одной и той же производительности наружного точения энергетически более эффективным является увеличение подачи на оборот в противоположность частоте вращения шпинделя; при увеличении скорости резания энергетическая эффективность токарной обработки возрастает благодаря пропорциональному росту производительности, а фрезерной — снижается ввиду уменьшения подачи на зуб; одновременное увеличение переднего угла с 0 до 10 и главного угла в плане с 45 до 90 твердосплавных токарных резцов способствует повышению энергетической эффективности точения на 6...9 %. При использовании быстрорежущих резцов установлен экстремальный характер зависимости энергозатрат от главного угла в плане, имеющей минимум при р « 60; энергетическая эффективность попутного цилиндрического фрезерования в среднем на 9... 12 % выше, чем встречного, и снижается с увеличением глубины резания; с повышением площади срезаемого слоя энергетическая эффективность применения цилиндрических фрез и дисковых пил с крупными зубьями по сравнению с мелкозубыми возрастает до 29 %. Разность между экспериментальными и расчетными значениями не превышает 25 %. 5. При цилиндрическом фрезеровании сталей выявлена взаимосвязь энергетически экономичного распределения припуска между рабочими ходами с соотношением скоростей резания и минутных подач. 6. Создана математическая модель регулирования подачи дисковой пилы с целью стабилизации мощности разрезания стального цилиндрического проката на фрезерно-отрезных автоматах. 7. Разработаны модели и алгоритмы оптимизации параметров точения, фрезерования и разрезания по критерию наибольшей энергетической эффективности, Систему ограничений составляют требования операционного эскиза и технологические характеристики оборудования, корректируемые в конкретной производственной ситуации. 8. Оптимизационные алгоритмы реализованы в виде пяти прикладных программ и апробированы при технологической подготовке производства деталей ремонтных путевых железнодорожных машин и рельсового электросоединителя. Снижение энергетических затрат при переходе на экономичные параметры формообразования достигает 18...22 % при обеспечении заданной стойкости режущих инструментов, точности и шероховатости полученных поверхностей и производительности обработки. Автор выражает признательность профессору кафедры «Технология машиностроения» Муромского института (филиала) Владимирского государственного университета Швецову Анатолию Николаевичу за помощь и ценные советы при работе над диссертацией,
