Введение к работе
Актуальность
Среди важнейших проблем, стоящих в настоящее время перед течественной машиностроительной промышленностью, одно из первых ест занимает проблема повышения рентабельности производства, под оторой понимают совокупность технико-экономических показателей, арактеризующих общую эффективность организации данного произ-одства.
Проведение различных мероприятий, направленных на повышение ентабельности в деятельности конкретного предприятия, необходимо ачинать с первых его уровней - т.е. с операций механообработки, деляя при этом особое внимание еспросу выбора наиболее рацио-альных технологических условий их осуществления, т. к. именно они редопределяют результативность анализируемых операций, а в коечном итоге - себестоимость изготовляемой продукции и производи-ельность труда в сфере производства.
Выбор технологических условий осуществления операций механо-'бработки должен быть научно обоснованны/л и комплексным, базиро-;аться на одновременном оптимизационном анализе всей совокупности [временных условий обработки (с учетом имеющихся взаимосвязей гежду ними) и обеспечивать экстремальное значение заданного кри-ерия оптимизации при выполнении накладываемых ограничений.
Успешное решение данной задачи позволяет создать мощный ре-іерв дальнейшего повышения технико-экономической эффективности громышленного производства без дополнительных трудовых и матери-ільньїх затрат.
Учитывая вышеизложенное, можно сделать вывод, что в совре-шнных условиях развития отечественного машиностроения задача панно обоснованного выбора наиболее рациональных технологических ісловий осуществления операций механообработки является важной и ігопуальной, представляющей как научный, так и практический инте->ес.
Решить данную задачу можно на основе глубокого анализа физи-со-механических и теплофизических явлений, сопровождающих процесс іеханообработки, на основе достоверного математического моделиро-зания этого процесса и его выходных характеристик, а также путем ірименения современных методов оптимизации оценочных функций.
Многофакторная оптимизация оценочных функций технико-эко мического характера требует проведения большого объема вычис тельных действий, справиться с которыми можно лишь с помощью с ременных систем автоматизированного проектирования.
Наличие таких автоматизированных систем позволяет повыс рентабельность производства не только за счет непосредствен оптимизации технологических условий выполнения процессов меха обработки деталей1машин и механизмов, но и за счет сокраще сроков проведения проектных работ на стадии технологической п готовке производства новой продукции и модернизации существующ
Следует, однако, не забывать, что ценность и эффективно эксплуатации любой автоматизированной системы предопределяю исключительно качеством математического описания проектируем объекта и выбранным методом его оптимизации.
Именно эти 2 фактора в первую очередь должны приниматься внимание при оценке существующих, и вновь создаваемых САПР ТП.
Анализ применяемых в сфере машиностроительного произволе как отечественных, так и зарубежных автоматизированных сист предназначенных для оптимизации технологических условий осуще вления процессов лезвийной обработки материалов, позволил выяв следующие недостатки математического обеспечения данных сист существенно снижающие уровень их достоверности и работоспособн ти:
1) Математическое обеспечение указанных систем автоматизирован .го проектирования технологических процессов лезвийной обраб ки материалов (в том числе наиболее распространенных среди - процессов точения) базируется (преимущественно) на эмпи ческих зависимостях следующего степенного вида, предназнач ных для определения силовых характеристик процесса обработк скорости резания в зависимости от стойкости используемого и трумента: Рх = Ср- txP-syP-VnP -К,,,,,,; VT = Cv -knon/(Tra-tx-s
Данные эмпирические зависимости получены путем проведе одно$акторных экспериментов и в силу этого совершенно не у тывают взаимовлияние переменных технологических условий об ботки (и, прежде всего, режимов резания) на степенные пока тели хр, ур. Пр. т. х, у и поправочные коэффициенты Кпоп,кп
что значительно снижает достоверность этих зависимостей и делает их непримемлимыми для дальнейшего использования в современных САПР ТП.
Научно обоснованные (полученные теоретическим путем) аналитические выражения для расчетного определения основных выходных характеристик процессов резания лишены вышеуказанных недостатков эмпирических зависимостей, но, тем не менее, находят ограниченное применение в качестве базового математического обеспечения при создании САПР ТП, т.к. эти выражения, как правило, не имеют единой структуры, разнотипны, разнохарактерны и (что самое главное) включают в себя различные физико-механические и теплофизические свойства обрабатываемых и инструментальных материалов, а также ряд других исходных параметров, определение которых затруднительно и связано либо с проведением длительных и трудоемких экспериментов при различных темпе-ратурно-скоростных условиях их осуществления (реализовать которые в реальных производственных условиях обычно невозможно). либо с проведением дополнительных вычислений, сопряженных с большим объемом итерационных действий и длительными операциями математического поискового перебора.
Кроме того, указанные теоретические выражения для расчетного определения выходных характеристик лезвийной обработки материалов не учитывают текущий (нарастающий -за период стойкости) износ режущего инструмента, а также некоторые другие технологические условия обработки (например, жесткость технологической системы СПИД, диаметр обрабатываемого участка заготовки и др.). влияние которых на результативность процесса резания общеизвестно.
Все это значительно снижает эффективность эксплуатации и качество САПР ТП. созданных на основе данных теоретических выражений.
) В силу отсутствия достаточно достоверных и удобных для практического использования аналитических зависимостей, учшлыеащих при определении выходных характеристик процесса резания взаимосвязь и взаимовлияние переменных технологических условий лезвийной обработки материалов, учитывающих жесткость технологической системы СПИД и нарастающий (текущий) износ режущих
инструментов, учитывающих зависимость физико-механических теплофизических свойств обрабатываемых и инструментальных мг териалов, а также эффективность применения различных смазо1 но-охлаждающих жидкостей (СОЖ) от температурно-скоростных у< ловий обработки при осуществлении анализируемого процесса pi зания, т.е. из-за несовершенства используемого математически; обеспечения выбор модели станка, марки СОЖ, марки инструмеї тального материала (и, в большинстве случаев, даже геометрі ческих параметров инструмента) в существующих системах автом; тизированного проектирования процессов лезвийной обработки м; териалов произвоЭится независимо от последующего этапа выбора режимних условий обработки, что противоречит о, ному из основных принципов создания САПР ТП - принципу систеї ного единства, выдвинутому чл.-корреспондентом АН СССР Солі менцевым Ю.М. и заключающемуся в том, что при функционировані САПР ТП связи между ее подсистемами должны обеспечивать 'ц< лостность всей системы за счет согласования и комплексно; проведения структурной и параметрической оптимизации на всі уровнях технологического проектирования.
В результате нарушения данного принципа в указанных систем; автоматизированного проектирования токарных и других лезвийні операций выбор модели станка, марки СОЖ, марші инструментал: ного материала не является самим рациональным, т.к. этот выб' оторван и от режимных условий обработки, и от каких-либо кр; mepuee оптимизации анализируемого процесса резания.
Сам этот выбор научно не обоснован и базируется не на машем тическом моделировании проектируемой технологической операци: а на применении табличных Занных общерекоменЭательного харак тера, использование которых (как свидетельствуют эксперимент: может привести к значительным ошибкам и материальным потерям
Учитывая данные обстоятельства, возникает насущная необход мость коренного изменения базового математического обеспечен существующих САПР ТП, необходимость перехода на другие науч обоснованные принципы его создания с целью практической реализ ции комплексной структурно-параметрической оптимизации анализ руемых процессов лезвийной обработки материалов.
Цель исследований: Создание на базе математического моделирования процесса точения (наиболее распространенного в металлообрабатывающей промышленности) научно обоснованной методологии и достоверного унифицированного математического обеспечения, позволяющих практически реализовать (с помощь» ЭВМ) комплексную структурно-параметрическую оптимизацию технологических условий токарной обработки материалов и путем этого целенаправленно достичь (без дополнительных трудовых и материальных затрат) наивысшей технико-экономической эффективности анализируемого процесса точения.
Задачи исследований
Для достижения поставленной цели необходима:
1. На основе использования передовых достижений в теории резания
материалов, экспериментального изучения, теоретического анализа и
математического моделирования физико-механических и теплофизичес-
ких явлений, происходящих при осуществлении процесса точения,
разработать научно обоснованные методики и достоверные (хорошо
подтверждаемые опытными данными) аналитические выражения для рас
четного определения на стадии технологической подготовки произ
водства температурно-силовых, контактных, стойкостных, техни
ко-экономических и других основных выходных характеристик процес
са токарной обработки, сопоставляемых с накладываемыми на этот
процесс технологическими ограничениями или рассматриваемых в ка
честве критериев оптимизации.
2. Путем целенаправленной аппроксимационной обработки указанных
аналитических выражений (предопределяющих выходные характеристики
процесса точения) получить унифицированную (типовую) форму их
представления, обеспечив при этом адекватность исходных и аппрок-
симационных выражений, а также сохранение имеющихся взаимосвязей
и взаимовлияния переменных технологических условий обработки.
3. Используя вышеуказанные типовые аналитические выражения в ка
честве базового математического обеспечения, разработать общую
методологию создания на его основе автоматизированной системы,
позволяющей произвести комплексную структурно-параметрическую оп-
тшлизацию технологических условий анализируемого процесса токар
ной обработки материалов, начиная от выбора модели станка, марки
СОЖ, марки инструментального материала, геометрических параметр режущего инструмента, и кончая режимами резания на каждом выпс няемой проходе (с оптимальной разбивкой срезаемого припуска эти проходы).
Данные условия обработки (с учетом нарастающего износа инс румента) должны обеспечивать получение экстремального значен заданного критерия оптимизации (технико-экономического характер при выполнении ограничений, накладываемых на процесс резания тр бованиями чертежа (точность обработки, характеристики качест формируемого поверхностного слоя и др.), прочностными характери тиками инструмента, техническими возможностями металлорежуще станка и условием обеспечения виброустойчивости процесса резани
4. Реализовать вышеуказанную методологию и разработанное базоЕ математическое обеспечение в действующей автоматизированной си теме, позволяющей реально осуществить комплексную структурно-г раметрическую оптимизацию технологических условий токарной обр ботки материалов.
Осуществить производственные испытания данной автоматизир ванной системы на различных машиностроительных предприятиях целью определения степени эффективности практического ИСПОЛЬЗОЕ ния как самой автоматизированной системы, так и достоверное предлагаемого базового математического обеспечения этой системь
Методы исследований Для решения ешеуказаннш: забач использовалась: основные положения теории подобия, резания материалов и теплої] зики лезвийной обработки, а также методология полного факторне планирования математических и реальных экспериментов, автомати: рованные способы статистической обработки экспериментальных де ных, высокоэффективный метод параметрической оптимизации оценс ных функций - модернизированный ситлекс-метоЭ Нелдера-Мида.
Экспериментальные исследования (проводимые как для изучен влияния условий обработки на температурно-силовые, контактнъ стойкостные и другие характеристики процесса резания, так и с проверки степени достоверности полученных теоретическим пуп аналитических выражений) выполнялись в лабораторных и производ твенных условиях с использованием быстродействующей измеритель* аппаратуры, а также специально изготовленных приспособлений.
Элементы научной новизны работы, выносимые на зашиту:
-
На базе математического моделирования процесса точения разработаны научно обоснованная методология и достоверное унифицированное математическое обеспечение для практической реализации (с помощью ЭВМ) комплексной структурно-параметрической оптимизации технологических условий токарной обработки материалов, позволяющей целенаправленно (без привлечения дополнительных трудовых и материальных затрат) достичь наивысшей технико-экономической эффективности анализируемого процесса точения. Указанное математическое обеспечение базируется не на эмпирических формулах и табличных данных рекомендательного характера, а на научно обоснованных единых по своей структуре (типовых) аналитических выражениях, отражающих сущность физико-механических и теплофизических явлений, происходящих при токарней обработке материалов.
-
Указанная научно обоснованная методология и соответствующее базовое математическое обеспечение практически реализованы в действующей автоматизированной системе 0PTIMISAT0R, предназначенной для осуществления комплексной структурно-параметрической оптимизации технологических условий токарной обработки материалов (включая выбор модели метаїлорежуцего станка, марки используемой СОЖ. марки инструментального материала и геометрических параметров инструмента, а также режимов резания на каждом проходе с рациональной разбивкой срезаемого припуска на эти проходы).
Данная система учитывает нарастающий (текущий) Износ инструмента и обеспечивает получение экстремального значения заданного критерия оптимизации технико-экономического характера с учетом ограничений, накладываемых на процесс резания требованиями чертежа, прочностными характеристиками инструмента, эксплуатационными возможностями станков и условием -обеспечения Еиброустойчивости процесса токарной обработки.
3. Отличительной чертой типовых аналитических выражений, предла
гаемых для использования в качестве базового математического
обеспечения при создании автоматизированных систем структур
но-параметрической оптимизации технологических условий токар
ной обработки, является то, что они учитывают:
а) взаимосвязь и взаимовлияние переменных технологических ус
ловий анализируемого процесса точения;
б) зависимость сопротивления обрабатываемого материала пласта
ческому сдвигу тр от технологических условий обработки;
в) текущий (нарастающий за период стойкости) износ использує
мого режущего инструмента;
г) действительные геометрические параметры инструмента (измє
ряемые не в главной секущей плоскости, а в плоскости, сое
падающей по своему пространственному положению с направле
нием угла схода стружки);
д) диаметр обработки (как геометрический и температурный фа*
тор. изменяющий процесс стружкообразования);
е) размеры и конструкционные особенности самой обрабатываемс
заготовки, расположение обрабатываемого участка на этой зг
готовке, тип закрепления заготовки на станке;
ж) жесткость отдельных элементов и всей технологической систе
мы СПИД;
з) применение смазочно-охлаждающих жидкостей (при этом попраї
ка на применение СОЖ дается не в виде некоторого постоянні
so коэффициента, что неправомерно и ошибочно, а в виЭе п<
ременного параметра, функционально зависящего от технолог]
ческих условий обработки, скорости подвода СОН в зону резг
ния, расхода (л/мин) и свойств анализируемой СОЖ).
4. Предлагаемые аналитические выражения для определения основні выходных характеристик токарной обработки материалов, унифищ рованы и приведены к единой (типовой) форме, отражающей прям; функциональную связь рассматриваемой выходной характеристики технологическими условиями осуществляемого процесса точения Подобная типовая форма представления указанных аналитическ: выражений позволяет значительно упростить работу, связанную практическим использованием данных выражений при решении зад научно обоснованного и целенаправленного повышения результ. тивности лезвийной обработки материалов, в том числе при со даний, отладке и последующей модернизации различных оптимиз ционных САПР ТП, базирующихся на основе указанных аналитиче ких выражений.
5. В ходе выполнения работы теоретическим путем получены аналитические выражения для расчетного определения
оптимальной по размерной стойкости инструмента температуры резания (60);
величины критического износа режущего инструмента по задней поверхности (п3(Кр));
сопротивления обрабатываемого материала пластическому сдвигу (тр) и ряда других характеристик токарной обработки,
отличающиеся научной новизной.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Научно обоснованное, унифицированное математическое обеспечение (разработанное на основе теоретико-экспериментального анализа и моделирования физико-механических и теплофизических явлений, сопровождающих процесс резания) позволило не только методологически, но и практически (в виде действующей автоматизированной системы OPTIMISAT0R) реализовать возможность проведения комплексной структурно-параметрической оптимизации технологических условий выполнения токарной обработки материалов на стадии технологической подготовки производства.
Решение данной актуальной проблемы, представляющей как научный, так и практический интерес, позволяет достичь наивысшей технико-экономической эффективности и рентабельности токарной обработки материалов без привлечения дополнительных трудовых и материальных затрат, сократить трудоемкость проектных работ и сроки освоения производства как новой, так и модернизируемой продукции, уменьшить себестоимость и время выполнения токарной робработки (за счет повышения производительности этой обработки, объединения проходов и других мероприятий), обеспечить выполнение накладываемых на процесс точения технико-технологических ограничений (точность обработки, характеристики качества поверхностного слоя изготовляемой продукции и др.), уменьшить р'асход режущего инструмента и затраты на его эксплуатацию, а также сократить производственный брак наиболее простым в реализации способом - путем научно обоснованной оптимизации технологических условий обработки.
Результаты выполненных исследований могут быть использованы для научно обоснованного прогнозирования выходных характеристик
токарной обработки материалов на стадии ТПП, для конструкционно; совершенствования металлорежущих станков и инструментов, а так: при решении других практических и теоретических задач, связанні с целенаправленным совершенствованием процессов резания.
Указанная автоматизированная система 0PTIMISAT0R, созданн. на основе разработанного автором научно обоснованного и унифиц рованного базовогоматематического обеспечения, подтвердила ев' высокую эксплуатационную эффективность при токарной обработке д талей машиностроительного производства и передана (в виде бло: прикладных программ) для практического применения - в Центральн: филиал АО "Ульяновский авиационный промышленный комплекс "АВИАСТАР" (Москва);
на машиностроительное производств.объединение "САЛЮТ" (Москва
в Научно-исследовательский институт технологии и организаци: производства двигателей (НМД) (Москва);
в научно-производственное объединение им.С.А.Лавочкина (г.Хим: Москвской обл.);
на ОАО "Автодизель" (Ярославский моторный завод);
на ОАО "ELDIN" (Ярославский электромашиностроительный завод);
на ОА "Ярославский завод Красный маяк";
' - на АО "Тутаевский моторный завод" (Ярославская область);
на Ростовский оптико-механический завод (Ярославская область)
на Гаврилов-Ямский машиностроительный завод "АГАТ"(Яросл.обл.
на дизельный завод АО "РЫБИНСКИЕ МОТОРЫ" и на другие предприя тия г.Рыбинска.
(Отзывы и акты использования разработанной САПР ТП прилагаютс
Отдельные результаты работы (в виде технологических реноме даций, указаний и нормативов режимов резания) переданы через НИ. на отечественные предприятия авиационного двигателестроения в к честве руководящих технических материалов, а также распростране Ярославским межотраслевым территориальным центром научно-техн ческой информации по машиностроительным предприятиям России в в де 10 информационных листков.
По материалам работы написаны монографии и учебно-методиче кие пособия, используемые на ФПК руководящих работников промы ленный предприятий г. Рыбинска и в учебном процессе РГАТА, а та же в Костромском ГТУ и в Тутаевском ВТК.
Выполненная разработка демонстрировалась на 5 международных технических выставках ("ЭКСПОФОРУМ-92", "АВИАДВИГАТЕЛЬ-92", "КОН-ВЕРСИЯ-92", "ДВИГАТЕЛИ-94", "КАН-98"- Франция), удостоена грамотами и серебряной медалью ВДНХ.
По итогам Ярославского областного конкурса в 1998 году данная разработка заняла 1-е место в области технических наук.
Результаты проведенных исследований опубликованы в центральных российских журналах ("Авиационная промышленность", "Технология машиностроения", "Физика и химия обработки материалов", "Справочник. Инженерный журнал") и использованы при подготовке к изданию очередного тома энциклопедии "Машиностроение" (под редакцией академика РАН К.В.Фролова), а также коллективной монографии "Современные технологии производства и проектирования газотурбинных установок" (под редакцией профессора Леонова Б.Н.).
Отдельные результаты исследований включены в учебник для студентов вузов "Теория резания. Физические и тепловые процессы в технологических системах" (автор Ящерицин П.И. и др. .Минск.-1990).
Представленные в диссертационной работе исследования выполнялись по планам межотраслевой научно-технической программы Министерства авиационной промышленности СССР и Минзуза РСФСР "Авиационная технология", а также по грантам и программам ГК РФ по высшему образованию.
6 прикладных программ, разработанных в ходе выполнения работы, включены в Государственный банк данных "Информационные ресурсы вузов Российской Федерации".
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы апробированы
на 16 Всесоюзных, 18 Республиканских, 14 Региональных, а также на 10 Международных НТК ("ТРИБ0Л0Г-7М", "SLAVYANNRIB0-3", "ТЕХНОЛОГИЯМ", "МОДЕЛЬ-ПРОЕКТ 95", "ИНФОРМТЕХ-99", "СЕРТИФИКАЦИЯ--99 и др.);
на выездной сессии Проблемного совета "Машиностроение" министерства общего и профессионального образования РФ (председатель совета - академик РАН Колесников К.С.; февраль 1999 г.);
на заседании технологической секции Брянского государственного технического университета (БГТУ);
на заседании кафедры "Технология машиностроения" Ярославског государственного технического университета (ЯГТУ).
Результаты работы неоднократно докладывались на заседания кафедры "Станки и инструменты" Рыбинской государственной авиаци онной технологической академии, а также на научно-технически конференциях профессорско-преподавательского состава РГАТА.
Публикации
По результатам проведенных исследований опубликовано 198 пе чатных работ (из них 7 статей в центральных научно-технически журналах), а также издано 5 монографий, написано 16 депонировав ньк рукописей, 6 отчетов по НИР и 8 учебно-методических пособий.
Структура и объем диссертации
Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка ис пользованной литературы (226 наименования) и приложения. Содержи 444 страниц текста.
В приложении к работе представлены таблицы справочного хг рактера, методология проведения экспериментальных исследовании результаты сопоставления опытных и расчетных данных, а также oi зывы на выполненную разработку и акты ее использования на иат ностроительных предприятиях Ярославского и Московского регионов.