с 01.01.1980 по 01.01.2022
Ульяновск, Ульяновская область, Россия
с 01.01.2017 по 01.01.2022
Ульяновск, Ульяновская область, Россия
УДК 621.91 Обработка резанием
Разработана методика коррекции режима механической обработки с изменяющимися во времени параметрами. Методика позволяет минимизировать влияние неопределенности технологической информации, обусловленной некорректностью математических зависимостей и моделей, используемых для расчета параметров процесса, и отсутствием исходных данных для выбора параметров математических моделей, и предусматривает коррекцию зависимостей и моделей по данным текущей информации о выходных параметрах. Коррекция элементов режима выполняется по результатам сравнения расчётных и фактических значений выходных и текущих параметров процесса. Определяются расчетные функции изменения выходных параметров во времени. Методика определения взаимосвязанных текущих и выходных параметров процесса обработки позволяет рассчитать их значения в зависимости от времени наработки инструмента. По результатам сравнения расчетных значений параметров процесса со значениями, которые должны быть получены в момент времени, равный периоду стойкости инструмента, выполняется коррекция элементов режима. Если расчётные значения выходных параметров не превышают их предельные значения, то следует интенсифицировать режим обработки, чтобы увеличить производительность. Определяются интервалы варьирования управляемыми факторами, позволяющие изменить выходные параметры в момент, равный периоду стойкости инструмента, на необходимую величину. При расчетах интервалов варьирования управляемыми факторами на первых этапах коррекции режима ориентируются на исходные модели и зависимости, описывающие процесс. Необходимый результат может быть не достигнут по причине неопределенности информации, в том числе некорректности моделей. Поэтому при необходимости реализуются последующие этапы коррекции режима. Ориентируясь на фактические значения выходных параметров., корректируются модели процесса, а интервалы варьирования управляемыми параметрами рассчитываются с использованием скорректированных моделей. Применение разработанной методики коррекции режима позволяет увеличить производительность точения на 30…35 % при обеспечении на протяжении заданного периода стойкости инструмента требуемого качества обработанных деталей.
точение, режим обработки, неопределенность, технологическая информация, коррекция, шероховатость, погрешность
Проблема назначения рационального режима процесса механической обработки является одной из важнейших в области металлообработки. От режима зависит производительность процесса, качество и стоимость изготовленных деталей.
Эффективным методом назначения режима является расчётный, предусматривающий использование математических зависимостей и моделей, связывающих выходные и входные параметры процесса обработки. Однако, используемые зависимости и модели не всегда корректно отражают взаимосвязь параметров процесса. Многие модели не учитывают влияния ряда управляемых и неуправляемых параметров процесса. Часто отсутствует информация, необходимая для расчета. Многие зависимости и модели получены эмпирическим путём и показывают адекватные результаты лишь в тех условиях, в которых они были получены. В каталогах режущего инструмента элементы режима резания указаны, как правило, диапазоном значений, что осложняет выбор рационального режима. Поэтому часто возникает необходимость коррекции назначенного режима.
Износ режущего инструмента, а следовательно, силы резания, температура в зоне резания и параметры качества изготовленных деталей изменяются с увеличением времени работы инструмента. Колебания припуска и твердости материала заготовки, изменение жесткости технологической системы и другие неуправляемые факторы также влияют на выходные параметры процесса. Вышеприведённые причины ведут к неопределённости информации, связанной с отсутствием корректных математических моделей и исходных данных для расчета выходных параметров в зависимости от условий обработки и элементов режима резания.
Одним из способов повышения эффективности механической обработки является применение систем автоматического управления станками. Системы с обратной связью позволяют компенсировать возмущающие факторы как систематического, так и случайного характера (колебания механических свойств материала заготовки, припуска на обработку и др.) и обеспечить заданное качество деталей при максимально возможной производительности. Разработаны системы управлением параметрами качества поверхностного слоя заготовки, в том числе микрогеометрией [1, 2].
Система автоматического управления режимом резания на основе нечёткой логики позволяет при различных режимах обработки поддерживать тангенциальную составляющую силы резания и температуру в зоне обработки на постоянном уровне [3]. Недостатком данной системы является то, что она не позволяет адекватно оценить износ инструмента и его влияние на выходные параметры (шероховатость и микротвёрдость поверхностного слоя, точность размеров и др.).
А. Аласкари и С.Е. Ораби разработали адаптивную систему управления процессом черновой токарной обработки [4]. Авторы предлагают подход, основанный на применении рекурсивных непрерывных итераций для прогнозирования (расчёта) величины износа резца по задней поверхности, сил резания и потребляемой мощности. Исследования выполнены с целью обеспечения максимальной скорости съёма материала заготовки. Однако, авторы не учли влияние изменения элементов режима на выходные параметры процесса обработки, в том числе на параметры качества деталей.
Количество выходных и текущих параметров, по результатам измерения которых вырабатывается управляющее воздействие с помощью большинства систем автоматического управления, ограничено: большинство систем реагируют лишь на один параметр (чаще всего параметр шероховатости обработанной поверхности или упругую деформацию одного из элементов технологической системы), а из всего разнообразия управляющих воздействий также выбирается лишь одно – в большинстве случаев скорость подачи. Если управляющее воздействие определять, ориентируясь лишь на один выходной или текущий параметр процесса, то можно получить недопустимые значения других параметров.
А.Н. Иноземцев [5] предложил метод рекурсивного стохастического самообучения, однако технологический процесс представлен как система с одним управляемым (скорость резания) и одним выходным (период стойкости инструмента) параметром.
Анцев А.В. разработал зависимости для расчета периода стойкости режущего инструмента, которые учитывают стохастичный характер процесса резания, и методику назначения оптимальных режимов резания, предусматривающую обработку с максимально возможными значениями подачи, глубины и скорости резания, ограниченной экономической скоростью и скоростью, обеспечивающей максимальную производительность [6].
Перспективными являются системы, которые позволяют управлять значениями выходных параметров (шероховатость обработанной поверхности и размер детали) с учетом изменяющихся во времени параметров обработки [7].
Одним из путей уменьшения неточностей при расчете или назначении элементов режима в условиях неопределенности технологической информации является коррекция (подстройка) параметров математических моделей, отражающих взаимосвязь выходных и входных параметров, по данным текущей информации о выходных параметрах [8].
Цель исследований – оценка эффективности функционирования разработанной методики коррекции режима обработки, учитывающей изменение параметров процесса с увеличением времени наработки инструмента.
Разработанный алгоритм коррекции режима резания (рис. 1) позволяет учесть взаимное влияние текущих показателей процесса резания (износа инструмента, силы и температуры резания).
Для этого предложен следующий подход. Время функционирования процесса обработки разбивается на интервалы Δτ (рис. 2). Расчёты выходных и текущих параметров процесса выполняются для моментов времени τ0, τ1, … τi, ... τmax.
На первом этапе назначается режим обработки по каталогу режущего инструмента или рассчитывается по формулам теории резания. При необходимости производится коррекция назначенного (расчётного) режима с целью обеспечения заданного качества обработанных деталей при максимальной производительности процесса обработки. Для этого определяются расчётные функции изменения выходных параметров во времени. Сравниваются расчётные значения выходных параметров, которые должны быть получены в момент времени, равный периоду стойкости инструмента, с предельными (заданными) значениями выходных параметров. Производится коррекция режима, в результате которой обеспечивается резерв, равный нулю, по крайней мере, одного из выходных параметров процесса, при условии, что остальные выходные параметры будут иметь положительный резерв (запас). (Под резервом понимается разница между заданным (предельным) значением какого-либо выходного параметра и его расчетным или фактическим значением).
На скорректированном режиме производится обработка партии заготовок и измеряются выходные параметры (например, параметры шероховатости обработанной поверхности и размер обработанной детали). Затем производится статистическая обработка фактических (измеренных) значений выходных параметров по методике, приведенной в работе [9], что позволяет определить фактические траектории изменения выходных параметров от времени наработки инструмента. Для статистической обработки фактических значений выходных параметров разработано программное обеспечение.
Если при назначенном режиме значение хотя бы одного выходного параметра в момент времени, равный периоду стойкости режущего инструмента, превышает предельное (заданное) значение этого параметра, следует изменить (уменьшить) элементы режима, чтобы не допустить появления бракованных изделий. Если фактические значения выходных параметров не превышают их предельных значений, то следует интенсифицировать режим обработки, чтобы увеличить производительность.
Если принято решение корректировать подачу Sоб и скорость резания v, то следует выбрать один из трех возможных вариантов варьирования этими параметрами:
– варьирование только подачей Sоб;
– варьирование только скоростью резания v;
– варьирование подачей Sоб и скоростью резания v.
После выбора варианта варьирования рассчитываются скорректированные элементы режима и на этом режиме производится обработка заготовок.
Для коррекции режима точения в условиях существенного изменения параметров процесса с течением времени разработана программа «Коррекция режима точения в условиях неопределенности технологической информации», которая зарегистрирована в государственном Реестре программ для ЭВМ. Программа позволяет рассчитать выходные параметры в зависимости от времени наработки инструмента: производственную погрешность диаметральных размеров деталей ω и параметр шероховатости Ra их поверхностей. Это даёт возможность оценить изменение ёе параметров с увеличением времени наработки инструмента и определить период его стойкости.
Программа разработана на языке программирования Delphi, который используется в одноимённой среде разработки Delphi 7. В качестве исходных данных необходимо ввести элементы режима точения (скорость резания v, подача Sоб и глубина резания tr), параметры станка (мощность и КПД двигателя, жёсткость станка, диапазоны частот вращения шпинделя и подач), конструктивные параметры резца (передний угол γ, главный φ и вспомогательный φ1 углы в плане, угол наклона передней поверхности λ, радиус при вершине режущей кромки r, ширина B и высота державки H, вылет резца из резцедержателя), материалы заготовки, режущей части инструмента и державки резца и др.
Экспериментальные исследования были проведены при следующих условиях. Обрабатывали точением наружные цилиндрические поверхности заготовок диаметром 50 мм из стали 12Х18Н10Т проходным резцом со сменной многогранной твердосплавной пластиной из сплава Т15К6 на токарном станке с ЧПУ CTX310 Ecoline.
Заданное (предельное) значение шероховатости обработанной поверхности
Ra = 3,2 мкм; допуск диаметрального размера составляет 0,1 мм (по 10 квалитету). Период стойкости инструмента τc = 30 мин.
Исследование проведено в следующей последовательности:
1. По формулам теории резания [10] произведен расчет элементов режима точения заготовки из 12Х18Н10Т: Sоб = 0,11 мм/об; v = 146 м/мин.
2. По результатам расчета выходных параметров (параметра шероховатости Ra и погрешности диаметрального размера ω) на назначенном режиме был получен положительный резерв по параметру Ra и отрицательный резерв по значению параметра ω. Поскольку расчетная погрешность диаметрального размера превышает допуск, необходимо выполнить коррекцию рассчитанного режима обработки. Скорректированный режим должен обеспечить резерв одного из параметров, равный нулю, при положительном резерве второго выходного параметра. С применением разработанного программного обеспечения получили скорректированный режим: Sоб = 0,11 мм/об; v =142 м/мин.
3. При обработке на скорректированном режиме выходные параметры (параметр шероховатости Ra и диаметральный размер) измеряли на ограниченном отрезке времени наработки инструмента, равном 0…5,63 мин (меньшим, чем период стойкости), а затем экстраполировали на время, равное периоду стойкости. Выполнив обработку результатов по методике [9], получили значения выходных параметров в момент времени τc = 30 мин:
шероховатости – Raф0 = 1,95 мкм и погрешности диаметрального размера – ωф0 = 0,05 мм. Следовательно, могут быть получены положительные резервы (запасы) по параметру шероховатости Raф и погрешности диаметрального размера ωф. Поэтому имеется возможность интенсифицировать режим обработки.
Разработанная программа позволила рассчитать новые значения управляемых параметров: Sоб = 0,168 мм/об; v = 140 м/мин. Выходные параметры (шероховатость и диаметр обработанной поверхности) заготовок, обработанных на данном режиме, измеряли на отрезке времени, равном периоду стойкости резца и получили фактические значения выходных параметров: Raф1 = 2,84 мкм и ωф1 = 0,04 мм. Обработка на скорректированном режиме
(Sоб = 0,168 мм/об; v = 140 м/мин) позволяет увеличить производительность процесса точения на 34 % по сравнению с назначенным режимом при обеспечении заданного качества деталей.
Аналогичные эксперименты выполнены также при следующих условиях: материал заготовок – 12Х18Н10Т; режущий инструмент – резец MSDNN 2020K12; режущая пластина (СМП) – SNMG 120404-SFIS7015 (ф. InTool) с износостойким покрытием TiAlN. Требуемое значение шероховатости Ra =1,6 мкм; диаметральный размер (по восьмому квалитету) –
ø 34h8 (-0,039) мм. Режим резания был назначен по каталогу производителя инструмента:
Sоб = 0,080 мм/об; v = 250 м/мин; tr = 0,5мм.
Использование скорректированного режима (Sоб = 0,129 мм/об; v = 250 м/мин;
tr = 0,5 мм) позволяет повысить производительность обработки партий образцов из 12Х18Н10Т на 33 % по сравнению с назначенным режимом. При этом на протяжении заданного периода стойкости τc = 30 мин обеспечивается заданный параметр шероховатости Ra и точность диаметрального размера.
ВЫВОДЫ
1. Выполнены исследования эффективности методики коррекции, назначенного в условиях неопределённости технологической информации режима токарной обработки с учетом изменяющихся во времени параметров процесса.
2. Применение разработанной методики позволяет увеличить производительность точения на 30…35 % при обеспечении на протяжении заданного периода стойкости инструмента требуемого качества обработанных деталей.
1. Инженерия поверхности деталей / Колл. авт.; под ред. А.Г. Суслова. М.: Машиностроение. 2008. 320 с.
2. Суслов А. Г. Самообучающиеся автоматизированные технологические системы / А.Г. Суслов, Д.И. Петрешин, Д.Н. Финатов. Справочник. Инженерный журнал. № 1. 2004. С. 14-17.
3. Зориктуев В.Ц., Шангареев Р.Р. Система автоматического управления режимами резания на основе нечеткой логики // Вестник УГАТУ. 2010. Т.14, № 2 (37). С. 163-169.
4. Alaskari A. Adaptive control simulation to optimize metal removal for rough turning / A. Alaskari, S.E. Oraby // Journal of Engineering Research. 2018, Vol. 6. № (2). pp. 20 -231.
5. Теоретико-вероятностный анализ производительности станочных систем / С.А. Васин, А.Н. Иноземцев, Н.И. Пасько. Тульский гос. ун-т. Тула: ТулГУ, 2002. 276 с.
6. Анцев А.В. Учет разброса периода стойкости при оптимизации режимов резания и профилактической замены инструмента / А.В. Анцев, Н.И. Пасько // Вестник машиностроения. № 9. 2019. С. 72-77.
7. Ulsoy A.G., Koren Y. Control of machining processes. ASMEJ. Dyn. Sys. Meas. Control. 1993, 115, 301-308. DOI: https://doi.org/10.1115/1.2899070.
8. Unyanin A.N. Development of methodology for the purpose of the machining process mode with time-varying parameters in the face of uncertainty of technological information / A.N. Unyanin, P.R. Finageev// IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 709 (2020). 022034. DOI:https://doi.org/10.1088/1757-899X/709/2/022034.
9. Унянин А.Н. Статистический анализ параметров процесса механической обработки / А.Н. Унянин, П.Р. Финагеев // Горное оборудование и электромеханика. № 6. 2019. С. 48-54. DOI:https://doi.org/10.26730/1816-4528-2019-6-48-54.
10. Прогрессивные режущие инструменты и режимы резания металлов: Справочник / В.И. Баранчикова и др.; под общ. ред. В.И. Баранчикова. М.: Машиностроение, 1990. 399 с.
