Khabarovsk, Khabarovsk, Russian Federation
Bryansk, Bryansk, Russian Federation
Khabarovsk, Khabarovsk, Russian Federation
UDK 621.923.4 Чистовое (тонкое, точное), окончательное, отделочное шлифование и выхаживание
BBK 345 Общая технология машиностроения. Обработка металлов
The paper is devoted to the development of methodological foundations of digital models of two-sided face grinding treatment. The study objective is further increase in the effectiveness of work preparation of two-sided face grinding in the conditions of automated and digital manufacture. At the present stage of the development of mechanical engineering and computerized manufacture the technological parameters of adjustment and cutting modes of metalworking systems should be determined not by reference data, but as a result of simulation modeling of treatment processes taking into account all actual technological factors of influence. The problem to which the paper is devoted is the search for solutions to the problems of ensuring the correctness of mathematical and computer models being developed, adequate consideration of dominant factors, correct representation in the digital form of treatment process of patterns, relationships and constraints taking place based on the methods of structural parametric analysis and simulation modeling. These problems can be solved only on the basis of a systematic approach to the treatment and the development of methodological foundations for creating its digital model, which is the subject of research in the presented paper in relation to two-sided face treatment (FT). The following things are proposed: an algorithm of structural and parametric FT design, a structural and functional model of workpiece forming, objects and connections of technological interaction in FT, which together are the methodological foundations for the virtual FT presentation and have signs of scientific novelty. The results of virtual FT of cylindrical rollers in production conditions and the technical settings of the machine found on the basis of the stated methodological recommendations show that the required values of the dominant shape errors and the relative position of the treated surfaces are provided within the specified constrains. Conclusions: the provisions given in the paper and the model environment can be used in the development of an automated system for technological FT preparation in the conditions of digital production.
treatment, designing, parameter, model, systematization, methodology, synthesis
Введение
Происходящая в настоящее время перезагрузка российской промышленности требует возрождения отечественного машиностроительного производства на новом – цифровом витке его развития. Разработка обобщенных методов имитационного моделирования формообразующих технологических воздействий позволит повысить эффективность управления технологическими системами механической обработки для обеспечения требуемых выходных показателей качества обрабатываемых деталей.
На современном этапе развития машиностроения и информационных технологий методология проектирования технологической операции механической обработки кардинально меняется – от принципа аналогов (использование баз данных с усредненными значениями технологических параметров в зависимости от усредненных условий обработки) к поиску оптимальных значений параметров в зависимости от совокупности актуальных технологических факторов влияния.
Поскольку в автоматизированных системах технологической подготовки производства технологические параметры настройки и режимов металлообрабатывающей системы определяются в результате моделирования процесса обработки, одной из ключевых проблем становится проблема корректности разрабатываемых математических и компьютерных моделей, адекватный учет доминирующих факторов, корректное представление в цифровом отображении процесса обработки имеющих место закономерностей, связей и ограничений. Данная проблема может быть решена только на основе системного подхода к данному процессу обработки и разработки методологических основ создания ее цифровой модели.
Предлагаемые большинством авторов обобщенные методы анализа и синтеза механических технологических систем ограничиваются, как правило, рассмотрением номинальных движений инструмента и заготовки, что может служить методологической базой, но представляет лишь теоретический интерес и не может быть основой для реалистичной цифровой модели процесса [1 – 3]. Далее рассмотрены методологические аспекты, обобщенные подходы к моделированию технологической операции двусторонней торцешлифовальной обработки (ТО) с учетом действия доминирующих геометро-кинематических, упруго-силовых, тепловых факторов.
Проектирование технологического процесса механической обработки включает в себя поиск и оптимизацию следующих массивов данных: режимы обработки, параметры наладки станка, геометрические и физико-механические характеристики инструментов. При проектировании процесса ТО необходимо учитывать как общие закономерности процесса шлифования, так и специфические системные особенности поточной обработки деталей на двусторонних торцешлифовальных станках [4].
Алгоритмы и модели, используемые при проектировании цифрового образа процесса ТО
Наиболее обобщенной формой представления технологической операции является её функциональная модель [5, 6], как разновидность модели «чёрного ящика» в терминологии общей теории систем, в которой выделяют (рис. 1): входные A1 – Ak и выходные B1 – Bk параметры – характеристики качества обрабатываемой поверхности детали и физико-механических свойств материала заготовки; (C1 – Ck) – управляющие переменные параметры; (D1 – Dk) – постоянные параметры технологической системы (число параметров k = var для каждой группы параметров). Деление параметров на постоянные и переменные достаточно условно и зависит от конкретной постановки задачи проектирования.
Значения допустимых пределов контролируемых геометрических характеристик (B1 – Bk) поверхности заготовки, обрабатываемой на данной операции, могут быть определены в результате моделирования формирования показателей надежности технологического процесса изготовления детали [7 – 9].
Рис. 1. Модель технологической операции в функциональном виде
Fig.
На рис. 2 представлен алгоритм проектирования технологической операции в обобщенном виде. Входными параметрами процесса проектирования являются показатели точности и значения геометрических и физико-механических характеристик поверхностного слоя детали B1 – Bk, полученных после выполнения технологической операции.
Рис. 2. Алгоритм проектирования технологической операции в обобщенном виде
Fig. 2. Algorithm for designing a technological operation in a generalized form
При проектировании процесса обработки решается задача синтеза технологических параметров на основе совокупности предъявляемых к данной технологической операции критериев качества. Найденные проектные параметры целесообразно классифицировать в соответствии с функциональной моделью. В результате определяются вариации массивов переменных: (A1 – Ak), (C1 – Ck), (D1 – Dk).
При этом, как правило, используется несколько критериев, поэтому решение представляет собой совокупность технологических параметров, найденных с помощью методов многокритериальной оптимизации. Решение задачи можно упростить вводом допущений и ограничений, таких как уменьшение количества переменных параметров и ранжирование критериев качества процесса обработки с выделением главного и вспомогательных критериев.
При проектировании цифрового образа механической обработки должно выполняться главное условие – все параметры технологической системы, процесса обработки и критериальные характеристики должны быть вычисляемы или определяемы из информационных баз данных в рамках специализированной модельной среды.
Основой для проектирования процесса обработки служит его структурно-функциональная модель, учитывающая взаимосвязь и взаимное влияние параметров и доминирующих факторов.
Рассмотрим особенности алгоритма проектирования и используемых моделей.
На рис. 3 представлен алгоритм структурно-параметрического проектирования цифрового образа торцешлифовальной обработки (k = var, n = var).
Блок 1 включает в себя требуемые параметры качества обработанной детали (B1 – Bk).
Блок 2 связан с определением параметров технологической системы (ТС) с учетом особенностей операции поточного двустороннего торцевого шлифования [4, 9]. Он включает в себя определение следующих информационных массивов и векторов: Xi1 – характеристики реализуемой схемы шлифования (с круговой, возвратно-поступательной или прямолинейной траекторией подачи заготовок, закрепление заготовок или его отсутствие и др.); Xi2 – характеристики реализуемой кинематики относительного движения заготовки и шлифовальных кругов (ШК) (принудительное вращение заготовок или вращение незакрепленных заготовок в гнездах диска-сепаратора, реализованный закон вращения заготовки в процессе обработки, относительное направление вращения оппозитных ШК и др.); Xi3 – характеристики компоновки отдельных элементов цепи формообразования ТС (относительное расположение диска подачи и ШК, расположение узла правки ШК относительно шлифовальных бабок станка и др.); Xi4 – параметры формы производящих поверхностей ШК (плоскость, коническая, параболическая); Yi8 – упругие характеристики ТС (значения приведенных к ШК осевой и поворотной жесткостей и др.); Yi10 – характеристики смазочно-охлаждающей технологической среды (СОТС).
Блок 3 определения параметров процесса обработки включает в себя: Yi5 – характеристики технологических режимов (скорость резания на периферии ШК, скорость подачи заготовок, значения снимаемого припуска за проход), Yi6 – параметры наладки (геометрические характеристики траектории движения заготовок и др.); Yi7 – характеристики пространственного позиционирования ШК (угловые смещения ШК в горизонтальной и вертикальной плоскостях); Yi9 – физико-механические и энергетические характеристики ШК (твёрдость и зернистость ШК, удельная энергия шлифования и др.).
Блок 4 определяет главные и вспомогательные критерии качества технологической операции: выполнение требований к характеристикам точности партии обрабатываемых деталей (главный критерий); обеспечение параметров качества поверхностного слоя деталей; реализация рациональной формы технологического пространства и, как следствие, оптимальной структуры этапов черновой, чистовой обработки и выхаживания в течение одного прохода; обеспечение формоустойчивости ШК (необходимое условие выполнения главного критерия); требуемая производительность технологической операции.
Выбор критерия обеспечения точности обработанной партии деталей в качестве основного критерия предопределяет особую роль процесса формообразования для выполнения служебного назначения процесса обработки.
Рис. 3. Алгоритм структурно-параметрического проектирования ТО
Fig. 3. Algorithm of structural-parametric design of face grinding
В связи с этим при создании проекта цифрового образа ТО предлагается рассматривать взаимодействие начального и конечного звеньев цепи формообразования – инструмента (И) и заготовки (З) в, так называемом, пространстве технологического взаимодействия (ПТВ) (рис. 4). Влияние других элементов цепи формообразования – приспособлений инструментов (Пи1 и Пи2), приспособления заготовки (Пз), станка (С), как базового элемента – предлагается заменить связями геометрическими С1, силовыми С2, упругими С3, тепловыми С4 и др. Сi.
Рис. 4. Схема пространства технологического взаимодействия (ПТВ)
Fig. 4. Scheme of the space of technological interaction (STI)
Рассмотренные функциональная модель технологической операции, алгоритм проектирования ТО и схема пространства технологического взаимодействия лежат в основе комплекса моделей, необходимых для создания цифрового образа ТО.
Совокупность применяемых моделей при постановке задачи технологического формообразования как приоритетной представляет собой иерархическую структуру (рис. 5).
Рис. 5. Иерархическая структура применяемых моделей
Fig. 5. Hierarchical structure of applied models
В основе данной иерархии лежит такой показатель как степень обобщения выходных параметров. Выходные характеристики моделей нижнего уровня являются входными для моделей более высокого уровня. Математическим ядром модели формообразования служит уравнение, в котором аргументами функции формообразования являются детерминанты – наиболее значимые геометрические и кинематические характеристики цепи формообразования [1]. Входными характеристиками геометрических и кинематических моделей являются доминирующие факторы, которые в свою очередь являются выходными параметрами физико-механических моделей (упругие и температурные деформации, эпюры износа направляющих элементов станка, износ режущего инструмента, относительные колебания инструмента и заготовки и др.).
Cтруктурно-функциональная и критериальные модели процесса ТО
Методологической базой для создания математических критериальных моделей процесса ТО служит его структурно-функциональная модель, в которой наглядно показаны действующие причинно-следственные связи и взаимовлияние объектов технологической системы и их характеристик. На рис. 6 представлена структурно-функциональная модель ТО при выборе критерия обеспечения точности обработки в качестве главного.
Рис. 6. Структурно-функциональная модель ТО
Fig. 6. Structural and functional model of the FG process
Процесс формообразования определяется кинематическими и геометрическими характеристиками взаимодействия инструмента и обрабатываемой заготовки. Геометрические и кинематические характеристики можно отнести к: 1) номинальным с заданной схемой и режимами обработки; 2) к факторным, природа которых связана с физико-механическим взаимодействием. В структурно-функциональной модели на рис. 6 к номинальным характеристикам относятся исходная форма ШК после правки, начальное положение в пространстве ШК, заданная траектория подачи деталей, режимы резания, упругие характеристики станка и др.
К факторным характеристикам относятся упругие и тепловые смещения ШК, характеристики износа ШК и трансформация его профиля, фактическая кинематика обрабатываемой заготовки [12], определяемая как результат ее взаимодействиями с рабочими поверхностями ШК.
Структурно-функциональная модель процесса ТО отражает содержание и взаимосвязи структурных элементов процесса обработки и является методической основой для создания его цифрового образа.
Анализ структурно-функциональной модели ТО показал, что для создания цифрового образа ТО, адекватно имитирующего реальный процесс, необходимо создание комплекса взаимосвязанных критериальных моделей. Была разработана модельная среда из следующих четырех основных моделей.
1) модель формирования технологического пространства с выходными характеристиками, определяющими форму рабочего пространства, его искажение в результате упругих деформаций, закономерности съема припуска;
2) модель износа шлифовальных кругов с выходными характеристиками, определяющими топографию рабочих поверхностей ШК в произвольный момент времени при шлифовании потока заготовок;
3) модель правки рабочих поверхностей с выходными характеристиками, определяющими: в задаче анализа – форму шлифовальных кругов в результате правки; в задаче синтеза – требуемые углы установки правки относительно шпиндельной бабки для получения заданного профиля ШК;
4) модель формообразования торцовых поверхностей обрабатываемых деталей, с выходными характеристиками, определяющими топографию обрабатываемых поверхностей их погрешности, показатели точности.
Результаты проектирования цифровой модели процесса ТО
На рис. 7 и 8 представлены примеры результатов реализации цифровой модели процесса ТО цилиндрических роликов, разработанной на основе приведенных выше методологических положений.
На рис. 7 показана графическая интерпретация синтеза параметров настройки – угловых смещений ШК в горизонтальной γ и вертикальной α плоскостях. Область эффективных значений параметров 7 находится в границах замкнутого контура, образованного линиями, положение которых определяется в результате моделирования: 1 и 2 – кинематические ограничения из модели формообразования; 3 – обеспечение рациональной структуры съема припуска из модели формирования технологического пространства; 4 – обеспечение формоустойчивости ШК из модели трансформации технологического пространства; 5 – ограничение на выпуклость торца из модели формообразования; 6 – одно из условий стабильности формы ШК из модели трансформации технологического пространства.
Рис. 7. Результаты реализации цифровой модели процесса
ТО – синтез угловых параметров настройки ШК
Fig. 7. The results of the implementation
of the digital model of the process of DG –
the synthesis of the angular settings of the GW
Текущая обрабатываемая поверхность ролика с идентифицированной мгновенной поверхностью шлифования (рис. 8) в точке траектории, соответствующей фазе выхаживания цикла шлифования, формируется в результате имитационного моделирования формообразования (модуль 4). При этом модели 1 – 3 являются входными моделями, позволяющими определить текущую форму и положение производящих поверхностей двух оппозитных ШК (параметры настройки γ и α).
Рис. 8. Пример текущей обрабатываемой поверхности ролика
с идентифицированной мгновенной поверхностью шлифования
Fig. 8. Example of the current processed roller
surface with an identified instantaneous grinding surface
Заключение
В статье предложена систематизация моделей, используемых при проектировании процесса обработки и его цифрового образа.
Представлены: алгоритм структурно-параметрического проектирования двусторонней ТО, структурно-функциональная модель процесса формообразования заготовки как вариант детализации и декомпозиции обобщенной функциональной модели процесса, объекты и связи пространства технологического взаимодействия, которые в совокупности являются методологической основой для виртуального представления ТО.
Результаты виртуальной ТО цилиндрических роликов при найденных на основе изложенных методических рекомендаций технологических параметрах настройки станка показывают, что требуемые значения доминирующих погрешностей формы и взаимного положения обрабатываемых поверхностей обеспечиваются в заданных пределах. Так торцовое биение и выпуклость торцов цилиндрического ролика не превышает 5 мкм и соответствует результатам шлифования в производственных условиях [4].
Таким образом, изложенные в статье методические положения и модельная среда могут быть использованы при разработке автоматизированной системы технологической подготовки ТО в условиях цифрового производства.
1. Portman VT. Development of the form-shaping system theory with design applications. The 2nd KEIO University Symposium; 1994 March 28; Tokyo, 1994. p. 1-17.
2. Carrino L, Giorleo G, Polini W, Prisco U. Dimensional errors in longitudinal turning based on the unified generalized mechanics of cutting approach. Intern Journ of Machine-Tools and Manufacture. Part 1. Three-dimensional theory. 2002;42:1509-1515.
3. Ivakhnenko AG., Kutz VV. Structural and parametric synthesis of technological systems: monograph. Kursk: Kursk. State Technical University. 2010;151.
4. Vayner LG. Technological control of forming during two-sided face grinding [dissertation]. [Voronezh (RF)]: Voronezh State Technical University; 2015.
5. Algin VB., Blumenstein VYu, Vasilyev AS. Technological and operational methods of ensuring the quality of machines. Minsk: Belarus. Navuka; 2010.
6. Marka D, McGowan K. Methodology of structural analysis and design. Moscow: Meta Technologiya; 1993.
7. Suslov AG, Fedorov VP, Gorlenko OA. Technological support and improvement of operational properties of parts and their connections. Moscow: Mashinostroenie; 2006.
8. Fyodorov VP, Nagorkin MN, Totai AV. Determination of parametric reliability of machining technological systems by simula-tion technique. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016;(124):012053. DOIhttps://doi.org/10.1088/1757-899X/124/1/012053
9. Fedorov VP, Nagorkin MN, Vayner LG. Methodological foundations of diagnostics of metalworking technological systems according to parametric reliability of ensuring a given quality of the treated surfaces. Bulletin of Bryansk State Technical University. 2021;11(108): 49-63. DOI:https://doi.org/10.30987/1999-8775-2021-11-36-50.
10. Weiner L. The regularities of allowance removal in grinding ends of cylindrical rollers. Materials Today: Proceedings. 2019;19(5): 2535-2539. DOI:https://doi.org/10.1016/J.matpr.2019.08.192.
11. Andrianova IA, Shakhnovsky SS. Improving the accuracy of two-sided face grinding by stabilizing the coolant temperature. Stanki I Instrumenti. 1984;1:23-24.
12. Vayner LG. Modeling of bilateral end-finishing kinematic characteristics. Bulletin of Bryansk State Technical University. 2020;7:20-26. DOI:https://doi.org/10.30987/1999-8775-2020-7-20-26.
