Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Особенности механической обработкой деталей газотурбинных двигателей в условиях автоматизированного производства 8
1.1 Анализ конструктивно-технологических особенностей чистовой механической обработки деталей ГТД 8
1.2 Теоретическое и экспериментальное определение режимов механической обработки, норм времени и моделирование процесса резания 18
1.3 Технологический процесс механической обработки как объект управления при изготовлении деталей на автоматизированном оборудовании 27
1.4 Выводы. Цели и задачи исследования 33
2. Методика выполнения экспериментальных исследований 36
2.1 Методика параметрической оптимизации операции (перехода) механической обработки 36
2.2 Методика разработки моделей обрабатываемости при наличии дополнительных ограничений на исследуемую область 40
2.3 Методика планирования эксперимента для разработки модели обрабатываемости 45
2.4 Оборудование и установки для проведения экспериментальных исследований 47
3. Математическая модель определения основных характеристик процесса механической обработки 50
3.1 Допущения, принятые в работе 50
3.2. Методика экспериментальных исследований 51
3.3 Основы построения операций технологического процесса механической обработки 53
3.4 Математическая модель основных характеристик процесса механической обработки 57
3.5 Факторное планирование экспериментов. Выбор математической модели и плана 65
3.6 Разработка моделей процесса резания для точения и фрезерования труднообрабатываемых материалов 86
4. Параметрическая оптимизация процесса механической обработки с учетом технологических ограничений 88
4.1 Общие задачи оптимизации технологического процесса механической обработки 88
4.2. Оптимизация механической обработки по различным критериям 90
4.3 Оптимизация переходов и операций технологического процесса обработки детали на основе разработанных комплексных моделей 95
4.4 Выводы 111
5. Оптимизация операций механической обработки деталей газотурбинных двигателей 113
5.1 Оптимизация операций (переходов) токарной обработки деталей ГТД на автоматизированном оборудовании 114
5.2 Оптимизация операций фрезерования проточной части лопаток КНД на многоцелевых автоматизированных станках 125
5.3 Определение условий механической обработки деталей в производственных условиях 142
5.4 Выводы 145
6.Общие выводы по работе. Рекомендации и направления дальнейших исследований 147
6.1 Общие выводы по работе 147
7. Рекомендации и направления дальнейших исследований 148
Список использованных источников 150
Приложения 162
- Анализ конструктивно-технологических особенностей чистовой механической обработки деталей ГТД
- Основы построения операций технологического процесса механической обработки
- Оптимизация переходов и операций технологического процесса обработки детали на основе разработанных комплексных моделей
- Определение условий механической обработки деталей в производственных условиях
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Современные авиационные двигатели должны соответствовать высоким требованиям по надежности, минимальной массе, экономичности и ресурсу. Эти задачи успешно решаются на основе результатов научных исследований, путем совершенствования конструкции, улучшения характеристик двигателя, а также благодаря использованию новых материалов и технологий изготовления деталей и узлов.
В технологии производства ГТД в последнее время происходят изменения, связанные с применением новых технологий, способных существенно изменить показатели выпускаемых изделий, структуру и условия производства. Их принято называть приоритетными, инновационными, критическими технологиями. Отличительной особенностью современной технологии механической обработки является широкое применение многофункционального автоматизированного оборудования. Выбор технологических режимов работы современного автоматизированного оборудования на основе существующих нормативных данных не позволяет полностью использовать возможности этих станков и не обеспечивает процесс формирования стабильных характеристик качества обработанной поверхности.
Таким образом, данная работа, направленная на технологическое обеспечение качества поверхностного слоя, себестоимости и производительности на основе параметрической оптимизации процессов механической обработки при изготовлении деталей ГТД на многоцелевом автоматизированном оборудовании, является актуальной.
Цель работы - технологическое обеспечение параметров качества поверхностного слоя, себестоимости, производительности и стабилизация погрешности обработки при изготовлении сложнофасонных деталей ГТД из жаропрочных материалов на автоматизированном оборудовании на основе параметрической оптимизации процесса механической обработки.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Выполнить анализ влияния технологических режимов на основные параметры качества, производительность и себестоимость изготовления деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных материалов.
-
Разработать корреляционные модели, алгоритм и прикладные программы для определения оптимальных условий выполнения операций механической обработки деталей ГТД с целью достижения заданного уровня выходных параметров при наличии технологических ограничений.
-
На основе параметрической оптимизации и разработанных математических моделей исследовать возможность стабилизации погрешности и параметров качества обработанной поверхности за счет динамического изменения условий выполнения операций механической обработки.
Научная новизна заключается в следующем:
Разработаны и обоснованы комплексные математические модели процесса механической обработки материалов, применяемых в конструкции сложнофасон- ных деталей ГТД. Показана целесообразность и возможность их применения на стадии технологической подготовки производства.
На основе экспериментальных исследований разработан алгоритм и методика управления параметрами механообработки с целью стабилизации погрешности и параметров качества поверхностного слоя деталей в условиях изменяющихся элементов технологических режимов.
Практическая значимость работы заключается в использовании ее результатов для:
-
определения технологических параметров чистовых операций механической обработки сложнофасонных деталей ГТД с учетом различных критериев оптимальности и технологических ограничений;
-
разработки технологических рекомендаций выполнения операций чистовой обработки сложнофасонных деталей на автоматизированном оборудовании, позволяющих стабилизировать показатели качества обработанной поверхности, точности и равномерный припуск под последующую обработку;
-
решения вопросов технологии создания новых поколений ГТД в рамках приоритетного направления «Авиационно-космические транспортные системы» и внедрения результатов на ОАО «УМПО» при изготовлении сложнофасонных деталей двигателей (валы, диски, лопатки КНД) на автоматизированных многоцелевых станках и в учебном процессе кафедры ТМ УГАТУ.
Положения, выносимые на защиту:
-
-
Комплексная математическая модель чистовой механической обработки, позволяющая оптимизировать операции точения и фрезерования сложнопро- фильных деталей ГТД.
-
Установленная взаимосвязь между динамическим изменением режимов выполнения операций механической обработки, осуществляемым на основе разработанных математических моделей, точностью обработки и характеристиками качества поверхностного слоя.
Общая методика исследований. Теоретическое и экспериментальное моделирование механической обработки для выбранного диапазона изменения входных параметров выполнено с применением теорий: планирования эксперимента, технологического обеспечения и повышения качества изделий, физической оптимизации резания материалов. Математические расчеты и проверка теоретических положений проводились с использованием математического аппарата линейной и матричной алгебры и расчетов в среде Matlab. Экспериментальные исследования выполнялись по стандартным и оригинальным методикам в т.ч. на базе действующего производства ОАО УМПО.
Достоверность и обоснованность научных результатов. Результаты работы получены с использованием базовых положений технологии механической обработки, математического моделирования, параметрической оптимизации, что обеспечило корректность постановки и решения задач, а также адекватность полученных выводов.
Выбор объекта исследования (технологические операции обработки слож- нопрофильных деталей) обоснован актуальностью проблем современного авиационного двигателестроения. Сформулированные научные положения, результаты и выводы обоснованы теоретическими положениями и экспериментальными данными, не противоречат ранее разработанным положениям фундаментальных и технических наук.
Апробация работы. Работа выполнялась по договору НЧ-ТМ-01-06ХГ (26/10 - 16282) с ОАО «УМПО» «Исследование обрабатываемости сталей и сплавов при фрезеровании лопаток КНД и КВД ГТД». Результаты докладывались и обсуждались на Республиканских, Всероссийских и Международных научно-технических конференциях в г.г. Уфе, Рыбинске, Санкт-Петербурге, Москве в 2007-2012 г.
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации представлены в 14 публикациях, в том числе в трех статьях в изданиях, рекомендованных ВАК; получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011615416.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников и приложений изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 26 таблиц, 28 рисунков, 63 формулы, библиографический список содержит 143 наименований.
Анализ конструктивно-технологических особенностей чистовой механической обработки деталей ГТД
Производство новых авиационных газотурбинных двигателей требует постоянного совершенствования технологических процессов, разработки и внедрения качественно новых методов и средств обработки, обеспечивающих постоянно растущие требования по качеству и эксплуатационной надежности.
Технологии изготовления деталей, узлов и двигателей в целом определяют во многом ресурс изделия, его трудоемкость и себестоимость, стабильность и культуру производства [95]. Существует постоянная связь между конструкцией изделия и технологией его производства. С другой стороны создание новых технологий, способных обеспечить получение деталей, удовлетворяющих высоким техническим требованиям, открывает возможность для конструктивного совершенствования изделия, например ГТД. Назначение технологий производства газотурбинных двигателей - обеспечение выпуска двигателей с заданными функциональными свойствами в заданных количествах с учетом материальных и информационных возможностей [95].
Высокие теплонапряженность, механическая напряженность, вибронапряженность деталей ГТД, труднообрабатываемость материалов, сложные пространственные формы, высокие требования к точности изготовления и другие требования обусловливают применение самых сложных технологических решений, использования современного автоматизированного оборудования.
Обеспечение качества, а, следовательно, ресурса и надежности газотурбинных двигателей является главной задачей производства. Значительная часть этой задачи решается технологией. Например, «досрочное снятие с эксплуатации двигателей одного семейства в связи с отказом и неисправностями деталей ротора турбины в 25% случаев произошло по вине эксплуатации, в 20% случаев - по конструктивным недостаткам, а в остальных 55% случаев - в связи с проявлением технологических дефектов» [95].
Так как трудоемкость механической обработки составляет до половины общей трудоемкости изготовления авиационного двигателя, одной из актуальных проблем является повышение производительности процессов резания и совершенствование условий эксплуатации применяемого дорогостоящего автоматизированного оборудования.
Сложность конструктивных форм деталей газотурбинных двигателей, многообразие применяемых технологических процессов предопределяют наиболее эффективную обработку их на станках с ЧПУ.
Для оценки целесообразности и возможности обработки деталей ГТД на автоматизированных станках был проведен анализ конструктивно-технологических особенностей, выполненный на примере дисков, валов, лопаток, и технологических схем их обработки.
При выполнении анализа использовались возможности реального производства, а также данные, опубликованные в работах [1,27,72,95,133 и др.].
Выполненный анализ конструктивно-технологических особенностей деталей ГТД показывает, что объем механической обработки в современном производстве достаточно велик. Так при обработке дисков, валов он составляет 75-85%, причем, объем токарной обработки доходит до 30-35%. Анализ конструктивных особенностей этих деталей показывает также, что обрабатываемые поверхности являются в основном цилиндрическими, торцевыми, фасонными или криволинейными.
Конструктивная форма дисков зависит от условий, в которых они работают. Они должны выдерживать большие центробежные нагрузки при неравномерном температурном поле от обода до ступицы. Эти условия вынуждают применять жаропрочные сплавы на никелевой основе: ХН77ТЮР-ВД, ХН73МБТЮ-ВД (ТУ14-1-146575) и титановые сплавы: ВТЗ-1, ВТ5, ВТ6, ВТ8, ВТ9, ВТ22 (ОСТ1.90013-81).
Диски компрессора при небольшой массе имеют большую площадь поверхности, что в сочетании с тонкими стенками обусловливает низкую технологичность конструкции (рис. 1.1)
Технические условия на изготовление дисков характеризуются следующими величинами:
- точность обработки посадочных поверхностей и лабиринтных канавок 6...8 квалитет;
- допуск биения наружных поверхностей относительно посадочных поверхностей допуск - 0,02.. .0,05мм;
- точность выполнения остальных размеров соответствует - 5.. .7 квалитету.
Диски балансируют статически по отдельности и динамически в собранном виде. Допуск на массу диска составляет 5% расчетной массы. Заготовки дисков штампуют в закрытых штампах и мощных прессах.
Анализ показывает, что диски ГТД имеют значительный разброс по размерам наружных, внутренних поверхностей, а также по размерам обода, ступицы и полотна детали. Это дополнительно усложняет технологические условия обработки этих деталей с точки зрения невозможности обеспечения достаточно постоянных температурно-силовых условий в зоне резания, а, следовательно, и получения стабильных показателей качества материала поверхностного слоя.
Следует отметить, что переменность исходных технологических параметров сохраняется даже при наиболее прогрессивных методах получения заготовок [10,14,74,80 и др.].
Кроме того обработка таких сложных по форме и габаритных деталей ведется на пониженных режимах резания, что по мнению исполнителей обусловлено необходимостью обеспечения заданной стойкости инструмента, требований по точности и качеству обработки в сложных условиях изменения технологических параметров. Как правило, при выборе технологических режимов обработки учитываются максимальные значения исходных параметров, что ведет к еще большему занижению режимов обработки, а, следовательно, к снижению производительности и эффективности эксплуатации применяемого автоматизированного оборудования.
Ответственные валы двигателей летательных аппаратов работают с большими нагрузками и при высоких числах оборотов. Необходимость уменьшения массы приводит к усложнению формы валов, заставляет делать их пустотелыми и тонкостенными. Валы компрессора и турбины являются наиболее ответственными деталями ГТД. К их прочности, точности, сбалансированности предъявляются высокие требования, превращающие их в достаточно сложные конструкции (рис. 1.2)
Основы построения операций технологического процесса механической обработки
Недостатки общепринятой до недавнего времени методологии «классического» эксперимента при изучении сложных технологических процессов, к числу которых относится и процесс резания металлов, в известной мере устраняются с помощью математических методов планирования эксперимента, внедрившихся в практику исследований [35,52,57 и др.]. Однако сравнительная новизна этих методов, многообразие планов привели к тому, что даже применительно к теории резания металлов, где круг задач не очень широк, в настоящее время еще не сложилось четких взглядов на то, какие методы наиболее приемлемы для решения тех или иных конкретных задач. Возникли вопросы обеспечения должного уровня прикладных работ и внедрения новых методологических разработок общей теории эксперимента. При этом, несомненно, нужно учитывать и специфику данной области науки - достаточно глубокие знания отдельных явлений физики процесса резания металлов и богатый опыт, накопленный исследователями и производством.
Во многих областях науки при практическом использовании математического аппарата планирования эксперимента считается, что наиболее важной задачей активного эксперимента является оптимизация. Планированию экстремальных экспериментов - изложению теории и практического применения направленного и научно обоснованного поиска оптимума в сложных системах -посвящено значительное количество работ [35,56,58 и др.].
При исследовании процесса резания с применением планирования эксперимента возможны два случая. В первом случае, необходимо найти экстремальное значение исследуемой функции. Во втором - найти характер зависимости в целом для заданного диапазона изменения факторов. Второй случай более характерен для исследования процессов резания, для него на математическом языке задачи формулируются следующим образом: необходимо найти такую функцию, которая определяет связь между выходом некоторого параметра оптимизации и величинами, влияющими на ход процесса, или, более кратко, найти математическую модель процесса.
Процесс резания следует отнести к сложноорганизованной системе, где действуют сложные физико-механические связи, подчиняющиеся вполне определенным закономерностям. Нестабильность свойств обрабатываемого материала, материала режущего инструмента, неконтролируемое изменение микрогеометрии режущей кромки, динамическое изменение жесткости системы СПИД в связи с режимом работы станка - все это в большей степени влияет на протекание процесса в целом и оказывает доминирующее воздействие на какие-либо явления. Поэтому существенной чертой планирования эксперимента как метода исследования является рассмотрение реальных процессов как процессов вероятностных, статистических. При этом никоим образом не отвергается детерминированный подход к изучению процессов в сложных системах.
Задача математических методов планирования эксперимента для оптимизации процессов резания металлов формулируется следующим образом: рассмотреть и описать «сложноорганизованную» систему физики резания, поместив ее в «плохоорганизованные» или вероятностные координаты технологических и прочих внешних условий протекания процесса.
Целью исследования является получение математической модели процесса, т.е. функции, связывающей параметры, характеризующие процесс резания, с факторами, влияющими на процесс (например, полученные зависимости V0=f{S, t, (р, pi, г, ...)).
Будем предполагать, что искомая функция допускает разложение в степенной ряд. Если коэффициенты степенного ряда определять исходя из экспериментальной информации, то получается так называемое уравнение регрессии. Но регрессионный анализ можно выполнить лишь при следующих предпосылках:
- ошибки в определении факторов малы по сравнению с ошибками определения параметра оптимизации;
- дисперсии параметра оптимизации для разных опытов однородны (т.е. являются оценками одной и той же генеральной совокупности);
- значения параметра оптимизации - независимые, нормально распределенные случайные величины.
Коэффициенты уравнения регрессии определяется методом наименьших квадратов, т.е. находится минимум где уи - рассчитанные по уравнению значения зависимой переменной; уи - экспериментальные значения.
Рассмотрим этот метод на примере определения коэффициентов функции одной переменной
Пусть для этого поставим N опытов и получим N значений зависимой переменной.
Подставив в уравнение (3.1) значение из уравнения (3.2), получим Nt \2
Для определения минимума необходимо найти частные производные по Ъ0 и Ь] и приравнять к нулю.
Если опыты располагать симметрично относительно среднего значения независимой переменной и применить кодирование факторов, т.е. заменить натуральное значение переменной х на кодированное значение х, определяемое по формуле х = 1 , где J = max " min (3.5) то зависимость параметра оптимизации от переменных факторов существенно упростится.
После расчета коэффициентов регрессии производится статистический анализ полученного уравнения, т.е. проверка соответствия модели экспериментальным данным. Если уравнение хорошо описывает исследуемый процесс, то говорят, что она адекватна. Оценка адекватности производится по F -критерию Фишера [35,57].
Однако, прежде чем приступить к проверке адекватности модели необходимо проверить выполнение предпосылок регрессионного анализа. Это делается с помощью критерия Кохрена [35,57]. Если найденное значение G G(0,05; fy; /J, то гипотеза об однородности дисперсий принимается.
Здесь G G(0,05; fN; fj - табличное значение критерия Кохрена при 5%-ом уровне значимости; fN=N - число независимых оценок дисперсии; fu=m-l - число степеней свободы каждой оценки. Однородность дисперсий позволяет рассчитывать оценку дисперсии воспроизводимости всего эксперимента:
Если значение F F(0,05;fR;fe), то гипотеза об адекватности принимается.
Оптимизация переходов и операций технологического процесса обработки детали на основе разработанных комплексных моделей
Установление рациональных условий выполнения переходов технологической операции механической обработки является одним из завершающих этапов разработки технологического процесса. Основной целью при этом является надежное обеспечение всех требований, предъявляемых к качеству детали при ее минимальной себестоимости изготовления и максимально возможной при этом производительности. Обеспечение этого условия является особенно важным при изготовлении сложнопрофильных деталей ГТД на современном оборудовании. Если в этом комплексе задач окончательная обработка должна обеспечить заданные технические требования к отдельным поверхностям детали (точность формы, размеров и расположения, физико-механические свойства материала поверхностного слоя и др.), то предварительная обработка - высокопроизводительный съем основной части припуска заготовки [36].
Принцип оптимальности в общем виде может быть сформулирован так: для конкретного варианта выполнения операции механической обработки детали рассчитать такие значения выходных технологических параметров, которые обеспечили бы наибольшую эффективность процесса при соблюдении ряда технологических ограничений.
Необходимо отметить, что в зависимости от содержания конкретной задачи, решаемой при выполнении операции механической обработки, в качестве критерия оптимизации может быть выбран любой параметр, характеризующий и определяющий процесс резания и входящий в разработанную и применяемую математическую модель: характеристика износостойкости режущего инструмента (стойкость, длина пути резания или площадь обработанной поверхности, интенсивность износа и др.), технологическая себестоимость Ст, производительность П, характеристики качества материала поверхностного слоя (N0, hc, ат, h0 и др.), шероховатость обработанной поверхности Ra, показатели точности обработки и другие параметры, тогда оставшиеся показатели должны и могут выступать как технологические ограничения.
При разработке алгоритма и программы оптимизации в разной степени учитывались факторы (табл.4.1, 4.2, 4.3), влияющие на принятие решений, на параметры уравнений математических моделей и технологических ограничений. В работе предложена методика и набор параметров, которые можно рассматривать как задание на разработку алгоритма и программы оптимизации технологических условий выполнения операций механической обработки с учетом технологических ограничений.
Учитывая производственные требования и проблемы, имеющие место при изготовлении ответственных сложнопрофильных деталей газотурбинных двигателей, можно привести следующие условия, при соблюдении которых предполагается решать задачу оптимизации:
- обработка - многопереходная, однолезвийная;
- последовательно выполняемые переходы предназначены для обеспечения требуемого качества поверхности и точности детали путем последовательного удаления общего припуска;
- тип производства - серийный;
- обработка партионная (непоточная);
- оборудование - переналаживаемые автоматизированные станки с программным управлением;
- система станок - приспособление - инструмент - заготовка предварительно настраивается на размер обработки партии или одной заготовки, который может периодически восстанавливаться посредством поднастроек.
При разработке алгоритма оптимизации учитывались следующие факторы и их взаимосвязь.
1. Входные контролируемые параметры (таб.4.1).
На основании анализа производственных условий изготовления типовых сложнопрофильных деталей ГТД устанавливается диапазон изменения основных параметров.
Опыт работы производственных предприятий показывает, что для решения технологических задач необходимо выбирать диапазон изменения входных параметров, ограниченный значениями стойкости от наибольшего значения до режимов, соответствующих максимальной производительности при обработке типовых деталей из основных представителей обрабатываемых материалов.
2. В качестве выходных параметров приняты основные характеристики, определяющие производительность и себестоимость чистовой механической обработки, характеристики определяющие качество материала поверхностного слоя, а также основные показатели, определяющие износ и стойкость режущего инструмента. Уравнения связей основных параметров, используемых для расчета значений в выбранном диапазоне изменения входных параметров и определяющих значения приведены в таблице 4.2.
3. В качестве регулируемых и неконтролируемых параметров в работе приняты коэффициенты регрессии в уравнениях математических моделей, припуск на обработку, жесткость технологической системы, а также неоднородность свойств обрабатываемого и инструментального материала, элементы конструкции и геометрия обработанной заготовки.
Коэффициенты регрессии определены на основе обработки экспериментальных данных или литературных данных с применением методов наименьших квадратов или матричным методом.
Изменение и неравномерность припуска и в равной степени колебание глубины резания при разработке математических моделей в данной работе не рассматривались, так как в теории механической обработке показано, что глубина резания оказывает наименьшее влияние на основные характеристики процесса резания.
Известно, что жесткость технологической системы оказывает весьма существенной влияние на конечные результаты процесса механической обработки, поэтому в настоящей работе оценке влияния этого фактора на точность обработки и равномерность распределения припуска под последующую обработку деталей, обладающих переменной по зоне обработки и недостаточной жесткости уделено особое внимание. Данные, полученные в результате анализа математической модели, переносятся на реальный технологической процесс механической обработки и обеспечивают при этом возможность обоснованного выбора рациональных режимов обработки и динамического изменения их в связи с необходимостью достижения конкретного значения выбранной целевой функции - критерия оптимизации с соблюдением технологических ограничений.
Решение, задачи оптимизации многопараметрической модели технологии механической обработки, состоит в определении экстремального значения целевой функции с учетом совокупности ограничивающих параметров. Для отыскания экстремума функции применяются аналитические и алгоритмические методы.
Для аналитических методов необходимо явное выражение целевой функции, что в практике моделирования технологического процесса не всегда возможно. Поэтому для нахождения экстремума функций в условиях ограничений применяются численные или алгоритмические методы. Численные методы обеспечивают получение конкретных числовых значений параметров. Алгоритмические методы только указывают способ отыскания экстремума. Подавляющее большинство алгоритмических методов относятся к классу градиентных, в основе которых лежит либо вычисление градиента целевой функции, если она задана в явном виде, либо измерение градиента путем пробных шагов, если целевая функция задана неявно. Градиентные методы являются быстрыми и надежными детерминированными методами поиска локальных экстремумов и благодаря легкости программирования получили широкое распространение. В некоторых случаях, например, для отыскания глобального экстремума, применяется метод случайного поиска. Наиболее общими методами поиска области оптимума являются метод крутого восхождения и метод симплексов.
В данной работе в рассматриваемой области изменения входных параметров модель является линейной, поэтому для отыскания оптимальных значений критерия оптимальности используется метод крутого восхождения или наискорейшего спуска.
Однако, необходимо отметить, что в настоящее время для решения оптимизационных задач различных процессов разработаны универсальные методы автоматического программирования, прежде всего линейного, нелинейного, динамического программирования, изложенные в специальной литературе.
На основании укрупненной блок-схемы алгоритма расчета оптимальных значений технологических параметров выполнения операции разработана программа (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, регистрационный номер 2011615416 от 12.07.2011 года Приложение 4) позволяющая рассчитывать режимы резания по моделям процесса с учетом технологических ограничений. Анализ результатов расчета по этой программе показывает, что точность обеспечения значения критерия оптимальности равна ±5% (т.е. 10%), что для механической обработки является вполне приемлемым.
Успешное внедрение методики комплексной оптимизации операций механической обработки на основе математических моделей процесса резания (см. табл. 4.4)
Определение условий механической обработки деталей в производственных условиях
Исходя из обобщенной задачи оптимизации операций механической обработки деталей, а также компонентов основной технологической задачи можно установить следующие конкретные показатели, характеризующие операцию:
- точностные: поле рассеяния соответствующего размера; допуск, ограничивающий мгновенное поле рассеяния; погрешность обработки; деформации элементов технологической системы; высота микронеровностей; глубина и степень наклепа; остаточные технологические напряжения (осевые или тангенциальные) в поверхностном слое обработанной детали.
- организационно-производственные: число деталей, подлежащих обработке согласно техническому заданию; время обработки этого числа деталей (партии);
производительность операции; штучное время; штучно-калькуляционное время.
- экономические: технологическая себестоимость изготовления одной детали.
- функциональные: период стойкости режущего инструмента (одной режущей кромки); число деталей, обработанных за период стойкости; площадь обработанной поверхности за период стойкости инструмента; объем удаленного материала за период стойкости инструмента; количество потребного инструмента для выполнения конкретной работы; hr h3 - радиальный износ (износ по задней поверхности) инструмента.
Для решения задачи оптимизации разработаны ряд программ, позволяющих решать вопросы механической обработки на основе комплексной математической модели обрабатываемости.
Разработанные модели для конкретного сочетания обрабатываемый материал - инструментальный материал могут быть использованы для групп материалов - жаропрочных сплавов на никелевой основе, группы титановых сплавов.
Для оценки обрабатываемости материалов, входящих в группу, могут быть использованы показатели, характеризующие прочностные свойства обрабатываемых и инструментальных материалов:
- для жаропрочных сплавов на никелевой основе: предел прочности, предел текучести, модуль упругости, твердость по Бринеллю, количество упрочняющей у1 - фазы;
- для титановых сплавов: истинный предел прочности (дополнительно, вместо У - фазы);
- для инструментальных материалов: предел прочности на изгиб, твердость по Роквеллу, удельная прочность на единицу твердости, предел прочности на сжатие, теплопроводность, коэффициент линейного расширения.
Для расчета технологических условий обработки с учетом возможных ограничений по параметрам себестоимости, производительности, качества обработанной поверхности и точности обработки созданы ряд программ:
- программа расчета коэффициентов регрессии при разработке математических моделей;
- программа выбора режимов резания с учетом технологических ограничений;
- программа выбора режимов резания, обеспечивающих стабилизацию погрешности при обработке сложнофасонных поверхностей и постоянство припуска под последующую обработку;
- программа расчета потребного количества инструмента при обработке партии детали.
Применение разработанных программ и методики оптимизации позволяет в ряде случаев решать задачи физической оптимизации, например, назначать режимы резания, обеспечивающие минимум относительного линейного или поверхностного износа. Кроме того, применении комплексных математических моделей позволяет решать задачи технологической оптимизации операций механической обработки - выбор режимов резания, обеспечивающих повышение производительности обработки (при токарной обработке дисков ГТД в 2 + 2,5 раза увеличивается количество деталей, обработанных за период стойкости инструмента при соблюдении установленных технологических ограничениях), при обработке валов газотурбинных двигателей обеспечить стабильную шероховатость и физико-механические свойства материала поверхностного слоя, несмотря на изменение жесткости обрабатываемой заготовки и износ режущего инструмента. При обработке проточной части лопаток компрессора ГТД применение моделей и изменение режимов фрезерования в пределах каждой «технологической зоны» математические модели обрабатываемости позволяют обеспечить стабилизацию погрешности обработки, степени пластического деформирования поверхностного слоя и как следствие повысить на 20 22% длительную и усталостную прочность.
Весьма важной задачей для условий механической обработки является прогнозирование расхода режущего инструмента.
Применение математических моделей обрабатываемости материалов и требования операционного эскиза или чертежа позволяет решить и эту проблему.
Математические зависимости площади обработанной поверхности или объема снятого материала от элементов режима резания позволяют определить количество деталей, обработанных одним инструментом. Зная количество деталей, оговоренных календарным планом, можно определить потребное количество инструмента.
Разработанная программа позволяет корректировать режимы обработки, обеспечивая целое число обрабатываемых деталей с учетом стабильности режущих свойств применяемого инструментального материала.
Похожие диссертации на Технологическое обеспечение параметров качества поверхностного слоя, себестоимости и производительности на основе параметрической оптимизации процессов механической обработки
-
