Введение к работе
Актуальность темы. В процессе нестационарного резания точение жаропрочных сталей и сплавов на токарных станках с числовым программным управлением (ЧПУ) происходит в условиях интенсивного изнашивания инструмента при повышенных силовых и температурных контактных нагрузках. Это приводит к снижению размерной точности обработки и нерегламентированным отказам инструмента. Формообразование фасонных поверхностей деталей при этом реализуется преимущественно криволинейным (радиусным) участком режущего лезвия, контур которого интенсивно изменяется по мере его изнашивания. Таким образом, возникает необходимость ввода коррекций в траектории движения исполнительных рабочих органов (ИРО) станков с ЧПУ для компенсации погрешностей обработки. На практике обеспечение точности формообразования фасонных поверхностей деталей достигается при значительном увеличении трудоемкости их обработки за счет уточнения выдерживаемых размеров. Для этого выполняются дополнительные проходы с «ручным» вводом коррекций, которые осуществляются наладчиками и операторами станков с ЧПУ на основании накопленного опыта работы на конкретном технологическом оборудовании. Обеспечение стабильности размерной точности обработки на станках с ЧПУ обуславливает необходимость автоматизации процессов определения величин и ввода коррекций в сочетании с эффективным управлением режимами резания. Реализация диагностики и оперативного управления обработкой требует использования современных систем ЧПУ, расширяющих функциональные возможности технологического оборудования в сочетании с повышением надежности прогнозирования работоспособности инструмента.
Цель работы. Совершенствование формообразования фасонных поверхностей деталей в условиях нестационарного резания жаропрочных сталей и сплавов при точении на станках с ЧПУ.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать систему измерения и регистрации геометрических параметров криволинейных лезвий режущего инструмента, обеспечивающую возможность использования системы коррекций процесса обработки для повышения точности формообразования фасонных поверхностей деталей точением на станках с ЧПУ.
-
Исследовать процессы нагружения элементов технологических систем (ТС) составляющими силы резания, разработать систему оперативной диагностики нагрузочных характеристик приводов станков и реализовать управление обработкой с оперативным вводом коррекций в траектории движения ИРО станков с ЧПУ.
-
Исследовать взаимосвязь характеристик деформирования срезаемого слоя, параметров нагружения режущих лезвий, а также выходных параметров процесса резания и применительно к условиям точения жаропрочных сталей и сплавов разработать алгоритм рационального нагружения инструмента при нестационарном резании.
-
Установить схемы нагружения элементов конструкций сборного инструмента и разработать инструмент повышенной работоспособности применительно к условиям точения жаропрочных сталей и сплавов на станках с программным управлением.
5. Разработать алгоритмы и программное обеспечение управления комплексом диагностических модулей, элементов ТС, а также алгоритмы формирования и ввода коррекций для повышения точности формообразования фасонных поверхностей деталей из жаропрочных сталей и сплавов при точении на станках сЧПУ.
Методы исследования
При выполнении работы использованы основные положения, методология и методы технологии машиностроения, теории резания и теории автоматического управления, вычислительной математики, компьютерного моделирования и программирования, математической обработки результатов экспериментов.
Научная новизна
-
Разработана модель геометрических изменений криволинейного контура лезвия инструмента, позволяющая прогнозировать его параметры и определять величины коррекций, вносимых для повышения точности обработки в траектории перемещений исполнительных рабочих органов (ИРО) станков с ЧПУ в процессе формообразования фасонных поверхностей деталей.
-
Разработана математическая модель и алгоритм определения, отклонений расположения элементов технологических систем (ТС) по величинам составляющих силы резания, оперативно определяемых в процессе обработки в системе ЧПУ класса PCNC {Personal Computer Numerical Control) по величине рассогласования положения элементов следящих приводов ИРО станков.
-
Разработана модель и алгоритм управления обработкой жаропрочных сталей и сплавов, позволяющие определять деформации срезаемого слоя и реализовать стабилизацию контактных нагрузок на рабочих поверхностях лезвия инструмента для повышения работоспособности инструмента в условиях нестационарного резания.
4. Разработана модель управления процессами обработки на токарных
станках, оснащенных системами ЧПУ класса PCNC, сочетающая диагностику
состояния и процессов нагружения элементов ТС с вводом коррекций. Разрабо
тан алгоритм оперативного ввода коррекций в траектории движения формообра
зующего режущего инструмента (ФРИ) и одновременно в режим резания. Соче
тание этих коррекций в наибольшей мере компенсирует погрешности, выявлен
ные при диагностике конкретных наладок ТС, и обеспечивает повышение рабо
тоспособности режущего инструмента при точении жаропрочных сталей и спла
вов.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
разработаны методы и устройства для определения геометрических изменений криволинейных лезвий и величин коррекций, вносимых для повышения точности обработки в траектории движений формообразующего режущего инструмента (ФРИ);
создана система оперативного контроля деформаций срезаемого слоя в процессе нестационарного резания, позволяющая при изменениях скорости и глубины резания, сечения срезаемого слоя, подачи и диаметра обработки, а также
при изнашивании режущих лезвий обеспечивать стабилизацию контактных напряжений и температур на рабочих поверхностях лезвий инструмента;
предложен программно-аппаратный комплекс диагностики и управления обработкой на станках с ЧПУ, программные продукты для диагностики процесса резания и управления следящим и шаговым приводами в сочетании с программным обеспечением оперативного ввода коррекций в траектории движений ФРИ при изменении составляющих силы резания в процессе точения на токарных станках, оснащенных системами ЧПУ класса PCNC;
созданы конструкции сборного инструмента повышенной работоспособности, а также комплекс диагностических модулей для контроля состояния ТС и диагностики деформационных, силовых и температурных параметров.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались в период с 2002 по 2008 г.г. на шести Международных, двух Всероссийских и трех региональных научных конференциях в городах Москва, Новосибирск, Самара, Санкт-Петербург, Томск, Тюмень, Ульяновск, Курган, Юрга. Исследования проводились при поддержке фантов Губернатора Тюменской области. Выполненные научные разработки с 2002 по 2008 г.г. трижды отмечены Дипломами победителей региональных конкурсов научных работ по машиностроению. В 2003 году они были представлены в г. Москва на Всероссийском выставочном центре (ВВЦ) и отмечены дипломом ІХ-й Международной выставки научно-технических проектов «ЭКСПО - Наука 2003», а также медалью «ESI - Moskow 2003».
Реализация результатов работы. Результаты исследований и разработки диссертации в соответствии с Региональной целевой программой Тюменской области «РАЗВИТИЕ ПРЕДПРИЯТИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ И МЕТАЛЛООБРАБОТКИ НА 2001- 2006 г.г.» внедрены на предприятиях Тюменской области, а именно: ОАО «ТЮМЕНСКИЕ АВИАДВИГАТЕЛИ», ОАО «ГРОМ», а также ООО «Сибинструментсервис». При изготовлении фасонных деталей авиадвигателей и деталей нефтегазового оборудования реализовано переоснащение токарных станков доработанными системами ЧПУ класса PCNC и диагностическими модулями. Диагностика ТС и оперативный ввод коррекций по траекториям движения ФРИ и режимам резания реализованы с использованием специализированного программно-аппаратного комплекса. При точении фасонных деталей из жаропрочных сталей и сплавов используются разработанные конструкции сборного режущего инструмента и оперативное управление системами станков с ЧПУ, что обеспечивает наибольшую для конкретных условий эффективность обработки. Результаты исследований используются в учебном процессе ТюмГНГУ, а также в курсовом и дипломном проектировании на выпускающих кафедрах машиностроительного профиля.
Авторские разработки защищены патентами на изобретения: № 2235621, № 2254210, а также свидетельствами об официальной регистрации программ для ЭВМ: № 2003611798, № 2008610388.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано с 2002 по 2008 г. в 14 печатных работах. В том числе 2 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений. Работа изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 112 наименования.
