Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
КУ - ВАДИМ ВАСИЛЬЕВИЧ
МЕТОДОЛОГИЯ ПРЕДПРОЕКТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СИСТЕМ
Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Курск - 2012
Работа выполнена на кафедре Машиностроительные технологии и оборудование ФГБОУ ВПО Юго-Западный государственный университет
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Емельянов Сергей Геннадьевич.
Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Гречишников Владимир Андреевич;
доктор технических наук, профессор Иноземцев Александр Николаевич;
доктор технических наук, профессор Султан-Заде Назим Музафарович.
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс (г. Орёл).
Защита состоится л07 декабря 2012 г. в _____ часов на заседании диссертационного совета Д 212.105.09 при ФГБОУ ВПО Юго-Западный государственный университет по адресу 305040, г. Курск, ул. 50-лет Октября, 94 (конференцзал).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО ЮгоЗападный государственный университет.
Автореферат разослан л ______________ 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета О.Г. Локтионова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Современные тенденции развития машиностроительного производства предъявляют все более высокие требования к точности изготавливаемых и применяемых деталей и узлов. Именно поэтому проблема обеспечения точности для вновь проектируемых специализированных металлорежущих систем в целом, так и для её основных элементов (станка, приспособлений и металлорежущего инструмента) выдвигается на одно из первых мест. Проектирование специализированных металлорежущих систем обладает рядом особенностей:
Х отсутствуют стандартизованные нормы геометрической точности;
Х не существуют аналоги, и поэтому цикл проектирования является полным;
Х необходимо совместное проектирование станка, приспособлений и металлорежущего инструмента;
Х экономически не целесообразно использование универсальных станков для создания специализированных металлорежущих систем из-за наличия в станке неиспользуемых движений формообразования и реализующих их узлов.
Анализ существующей системы проектирования специализированных металлорежущих систем и их основных элементов, регламентированной ГОСТ 2.103 и ГОСТ 15.001, применяемых на различных её этапах методов, методик и моделей обеспечения точности, позволил сделать выводы, что:
Х точность при проектировании металлорежущих систем закладывается на этапах разработки технического задания и технического предложения (на ранних этапах проектирования), однако решение задачи обеспечения точности традиционно выполняется на этапах разработки эскизного и технического проекта;
Х отсутствие применяемых на ранних этапах проектирования адекватных методов и методик, позволяющих выявлять и преобразовывать структурные и кинематические связи в формообразующей системе в размерные связи и связи свойств материалов её звеньев, не позволяет использовать полученные на данном этапе результаты, как основу для последующих конструкторских решений, что может приводить к невозможности обеспечить заданную точность;
Х полученные на этапах проектирования результаты требуют постоянного согласования, которые выполняются в настоящее время исключительно при наличии готового документа, что связано с непроизводительными затратами времени, а существование неизбежных итераций между всеми этапами делает этот процесс неэффективным (затратным);
Х проектирование элементов специализированных металлорежущих систем, а именно станка, приспособления и инструмента выполняется обособлено (не по единому техническому заданию), без учета их взаимного влияния на выходную точность обработки;
Х режущий инструмент является конечным звеном формообразующей системы, однако существующие теории, методы и методики его проектирования основаны на рассмотрении только геометрической погрешности остальных элементов металлорежущей системы. Это относится и к сборному металлорежущему инструменту, который получает всё большее практическое применение;
Х отсутствие формализованных методов выполнения предпроектных исследований приводит к тому, что конечный результат проектирования (точность металлорежущей системы) определяется не уровнем разработки технического задания и его содержанием, а исключительно уровнем подготовки конструктора, его способностью, начиная с этапа эскизного проектирования, выявлять и преобразовывать различные связи (размерные и связи свойств материалов), оказывающие влияние на точность;
Х существующая система проектирования не позволяет при выполнении предпроектных исследований в полной мере использовать современные программные средства моделирования процессов формообразования, реализующих их систем и конструктивных и технологических параметров, что не позволяет своевременно обнаруживать и устранять имеющиеся проблемы.
Следствием этого является существование производственных проблем, связанных с высокими временными и материальными затратами на создание и эксплуатацию специализированных металлорежущих систем, что влияет на стоимость и сроки изготовления новых видов техники и технологий, снижает тем самым их конкурентоспособность и затрудняет развитие новых наукоемких отраслей промышленности.
Поэтому, научная проблема, решаемая в работе, состоит в обеспечении заданной точности специализированных металлорежущих систем при снижении временных и материальных затрат, и решение данной проблемы не только не потеряло свою актуальность, а приобрело еще большую остроту.
Решение данной проблемы велось в рамках: федеральной целевой программы Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (2009-2013 гг.);
гранта президента РФ (2003-2004 гг.); внутривузовского гранта КурскГТУ 2008 года на проведение исследований по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники.
Цель работы: Повышение эффективности ранних этапов проектирования специализированных металлорежущих систем с заданными параметрами точности обработки на основе создания методологии предпроектных исследований.
Объектом исследования является процесс предпроектных исследований при проектировании специализированных металлорежущих систем и их основных элементов - станка, приспособлений и металлорежущего инструмента.
Предметом исследования являются взаимосвязи между проектными параметрами специализированных металлорежущих систем и их точностью.
Область исследований. Содержание диссертации соответствует П.1 Теория и практика проектирования, монтажа и эксплуатации станков, станочных систем, в том числе автоматизированных цехов и заводов, автоматических линий, а также их компонентов (приспособлений, гидравлических узлов и т.д.), оптимизация компоновки, состава комплектующего оборудования и его параметров, включая использование современных методов информационных технологий и П.4 Создание, включая проектирование, расчеты и оптимизацию, параметров инструмента и других компонентов оборудования, обеспечивающих технически и экономически эффективные процессы обработки специальности 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки.
Достижение поставленной цели требует решения следующих блоков задач:
1) построение концепции структурно-параметрического синтеза специализированных металлорежущих систем с заданной точностью обработки и функциональной модели процесса предпроектных исследований;
2) разработка совокупности методов обеспечения и оценки точности специализированных металлорежущих систем на этапе предпроектных исследований с учетом влияния на точность статических и динамических факторов процесса обработки;
3) разработка совокупности методов проектирования и формирования требований к сборному металлорежущему инструменту с учетом его влияния на точность всей металлорежущей системы;
4) реализация разработанной методологии.
Методы исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений системного анализа, теории базирования, конструирования металлорежущих станков, теории колебаний и динамики станков, геометрической теории формирования поверхностей, методах: конечных элементов, математического и компьютерного моделирования.
Научную новизну диссертационной работы составляют:
1. Эвристическая модель структурно-параметрического синтеза специализированных металлорежущих систем с заданной точностью обработки;
2. Функциональная модель, описывающая сущность процесса предпроектного исследования как систему взаимосвязанных функциональных преобразований, а именно: описание технологических возможностей проектируемой металлорежущей системы; формирование системы обрабатываемых поверхностей деталей; синтеза структуры формообразующей системы; формирование (синтез) пространства проектных параметров металлорежущей системы; синтез допусков на проектные параметры;
3. Информационная структура исходных данных, необходимых для выполнения предпроектного исследования, описывающая возможности проектируемой металлорежущей системы при обработке заготовок из заданных материалов и диапазона их габаритных размеров, а также возможности обработки поверхностей с заданной точностью.
4. Совокупность методов комплексного обеспечения и оценки точности специализированной металлорежущей системы, позволяющая при выполнении предпроектных исследований выявлять и преобразовывать структурные и кинематические связи формообразующей системы в размерные связи и связи свойств материалов её звеньев, а также формировать пространство проектных параметров, оказывающих влияние на точность.
5. Метод формирования конечного множества вариантов комплектов баз звеньев формообразующей системы, позволяющий при проведении предпроектных исследований выявить структуру размерных связей в соответствии с принятой схемой базирования.
6. Совокупность методов проектирования и формирования требований к сборному металлорежущему инструменту с учетом его влияния на точность металлорежущей системы, позволяющая на этапе предпроектного исследования создавать различные уровни его абстрактного описания и решать в рамках единой методологии задачу обеспечения и оценки точности;
7. Структура пространства проектных параметров сборного инструмента, характеризующая: сменные многогранные пластины и элементы (детали), необходимые для их закрепления в корпусе инструмента; конструктивные элементы (пазы, отверстия и пр.), которые необходимо сформировать в корпусе инструмента для установки сменных многогранных пластин и других конструктивных элементов.
Практическая значимость работы включает:
1. Последовательность новых и традиционных методов проектирования специализированных металлорежущих систем, позволяющих на этапе предпроектных исследований решать задачу обеспечения и оценки точности обработки;
2. Способы обработки сложных ротационных деталей (РК-профильных валов) и реализующие их инструменты, позволяющие обеспечить заданную точность и производительность обработки, а также расширить технологические возможности уже имеющихся способов обработки;
3. Программное обеспечение, позволяющее выполнять расчет: параметров точности и условий стабильности токарной обработки; жесткости упругих опор узлов формообразующей системы станков при статических нагрузках, а также проектирование сборных фасонных фрез;
4. Способ обоснования технических требований к точности узлов специализированных металлорежущих систем для фрезерования сложных ротационных деталей на примере РК-профильных буровых штанг.
Результаты исследований защищены 4 патентами РФ на полезную модель и свидетельствами на регистрацию программы для ЭВМ.
На защиту выносятся:
1. Концепция структурно-параметрического синтеза специализированных металлорежущих систем с заданной точностью обработки.
2. Функциональная модель процесса предпроектных исследований специализированных металлорежущих систем, состоящая из взаимосвязанных функциональных преобразований, таких как: описание технологических возможностей проектируемой металлорежущей системы; формирование системы обрабатываемых поверхностей; синтеза структуры формообразующей системы; формирование (синтез) пространства проектных параметров металлорежущей системы; синтез допусков на проектные параметры.
3. Информационная структура исходных данных, описывающих технологические возможности проектируемой специализированной металлорежущей системы по обработке деталей из требуемых материалов и заданного диапазона их габаритных размеров, и по обработке необходимых поверхностей в определенном диапазоне их геометрических параметров.
4. Совокупность методов, позволяющих установить зависимости между погрешностью обработки с одной стороны и погрешностями реализации схемы базирования звеньев формообразующей системы, деформациями звеньев и их стыков под действием статических нагрузок, а также протекающих динамических и тепловых процессов с другой стороны.
5. Метод формирования множества вариантов состава комплектов баз для звеньев формообразующих систем, позволяющий на этапе предпроектных исследований выявлять состав связей, соответствующий всем известным схемам базирования.
6. Совокупность методов формирования различных уровней абстрактного описания сборного металлорежущего инструмента, позволяющую в рамках единой методологии решать задачу обеспечения и оценки точности обработки при проведении предпроектных исследований.
7. Структура пространства проектных параметров сборного металлорежущего инструмента, характеризующая: сменные многогранные пластины и элементы (детали), необходимые для их закрепления в корпусе инструмента; конструктивные элементы (пазы, отверстия и пр.), которые необходимо сформировать в корпусе инструмента для установки сменных многогранных пластин и других конструктивных элементов.
8. Способы обработки сложных ротационных деталей, не требующие гармонических перемещений заготовки и инструмента, и характеристики производящих поверхностей используемых инструментов.
9. Требования к точности относительного положения и ориентации звеньев формообразующей системы специализированного станка и сменных многогранных пластин инструмента, предназначенных для фрезерования РК-профильных буровых штанг, а также области допустимых значений выявленных проектных параметров.
Реализация результатов. Результаты работы внедрены на предприятиях машиностроительного комплекса Курской области, Ростова-на-Дону, Хабаровска, Благовещенска, что подтверждено соответствующими актами. Отдельные результаты используются в учебном процессе Юго-Западного государственного университета.
Апробация работы: основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международном симпозиуме: Joint China-Russia Symposium УAdvanced materials and processing technologies 2010Ф, Harbin, Chine, Harbin Institute of Technology; международных научно-технических конференциях: Вопросы совершенствования технологических вопросов механической обработки и сборки изделий машиностроения, Тула, ТуГУ, 1996; Проблемы качества машин и их конкурентоспособности, Брянск, БГТУ, 2008; Технологическая системотехника - 2006, Тула, ТуГУ, 2006; Инновации, качество и сервис в технике и технологиях, Курск, КурскГТУ, 2009; Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации, Курск, КурскГТУ, 2003-2010; Применение ИПИ (CASL) - технологий для повышения качества и конкурентоспособности наукоемкой продукции, Москва, МГТУ Станкин, 2003; Проблемы и перспективы обработки металлов и заготовительных производств, Комсомольск-на-Амуре, ГОУ ВПО КнАГТУ, 2010;
Технология 2000, Орел, ОреГТУ, 2000; Проблемы управления качеством в машиностроении, Махачкала, ДГТУ, 2007; Материалы и упрочняющие технологии, Курск, КГТУ, 1998; Физические и компьютерные технологии, ХарьковГТУ, 2001,2002, 2004; Наука о резании материалов в современных условиях, Тула, ТуГУ, 2005; Вибрация - 2010. Управляемые вибрационные технологии и машины, Курск, КурскГТУ, 2010; Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта, и сельского хозяйства, Ростов н/Д, ДонГТУ, 2010; Модернизация машиностроительного комплекса России на научных основах технологии машиностроения (ТМ-2011) Брянск, 2011.
В полном объеме диссертация была заслушана на заседании кафедры СТАНКИ МГТУ СТАНКИН и на совместном заседании кафедр Инструментальные и метрологические системы и Автоматизированные станочные системы Тульского государственного университета. Так же диссертация была заслушана в полном объеме и одобрена на расширенном заседании кафедры Машиностроительные технологии и оборудование Юго-Западного государственного университета.
Публикации. Общий объем публикаций по теме работы составляет свыше печ. л., из них соискателю принадлежит свыше 30 печ. л. По теме диссертации опубликовано 82 печатных работы, в том числе 4 монографии, 22 статьи в рецензируемых научных журналах и изданиях, 4 патента РФ на полезную модель и 7 свидетельств на регистрацию программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов работы; выполнена на 366 станицах и содержит 120 рисунков, 29 таблиц, список использованной литературы из 382 наименований, 18 приложений.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность исследуемой проблемы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, определена научная новизна и практическая значимость полученных результатов.
В первой главе раскрываются такие понятия, как специализированная металлорежущая система, проектирование и конструирование. Приведено обоснование использования понятия металлорежущей системы (МС), под которой в данной работе понимается совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, участвующих в обработке заготовки резанием, и от которых непосредственно зависит точность обработки, а именно: станок; выполняющие движения формообразования приспособления; металлорежущие инструменты. Соответственно под специализированной МС (СМС) понимается МС определенного назначения, предназначенная для обработки однотипных деталей различного размера. Установлено, что результат проектирования выражается в виде абстрактного описания проектируемой МС, способной решать при определенных условиях и ограничениях поставленную задачу. Отмечено, что проектирование сложных систем, к которым можно отнести и МС, предполагает использование на разных стадиях разработки моделей различных уровней, при этом установлено, что проектирование целесообразно выполнять на основе подхода сверху-вниз. В соответствии с этим подходом проектирование начинается с наиболее абстрактного описания функций МС (верхнего уровня), на основе которого последовательно создаются более детальные описания (нижние уровни).
Такой подход позволяет установить взаимосвязи всех составных частей проекта, своевременно замечать возникающие проблемы и не переходить к последующей детализации до тех пор, пока полностью не будет завершен предыдущий уровень.
Отмечено, что методологические основы проектирования МС были заложены в работах таких ученых, как Аверьянов О.И., Базров Б.М., Бушуев В.В., Ивахненко А.Г., Иноземцев А.Н., Кутин А.А., Портман В.Т., Проников А.С., Пуш В.Э., Пуш А.В, Суллтан-Заде Н.М., Таратынов О.В., Чернянский П.М. и др. Вопросы концептуального проектирования элементов металлорежущих станков были освещены в работах таких авторов, как Богуславский И.В., Васильев Г.Н., Давыдов В.М., Кабалдин Ю.Г., Чукарин А.Н., и других. Методологические основы проектирования металлорежущего инструмента были созданы в работах таких ученых, как Грановский Г.И., Гречишников В.А., Емельянов С.Г, Лашнев С.И., Люкшин В.С., Протасьев В.Б., Радзевич С.П., Родин П.Р., Федотенко А.А., Этин А.О., Юликов М.И. и др.
В настоящее время достигнуты существенные научные результаты в обеспечении точности различных объектов машиностроительного производства, что нашло отражение в работах таких авторов как Базров Б.М., Балакшин Б.С., Бржозовский Б.М., Дальский А.М., Каширин А.И., Коганов И.А., Колесов И.М., Корсаков В.С., Корчак С.Н., Маталин А.А., Митрофанов С.П., Соколовский А.П., Соломенцев Ю.М., Суслов А.Г., Тверской М.М., Червяков Л.М., Яхин А.Б., Ящерицын П.И. и д.р.
Для сравнительной оценки качества МС используют следующие показатели:
эффективность; производительность; надежность; гибкость; точность. Точность обработки является главным показателем качества МС, и зависит от всех компонентов МС и связей между ними - станка, инструмента, заготовки, приспособления, их технического уровня и качества.
Также в главе были рассмотрены, разработанные научной школой проф. Пуша А.В. (проф. Богуславского И.В., проф. Ивахненко А.Г. и др.) основные положения концептуального проектирования МС, являющиеся основой их структурного синтеза.
Вторая глава посвящена разработке основных положений методологии предпроектных исследований СМС. Анализ методов проектирования СМС позволил установить, что точность проектируемой СМС традиционно закладывается при: формировании вариантов компоновки формообразующей системы (ФС); конструкторской проработки узлов СМС; окончательной проработки узлов СМС; изготовлении и исследовании опытного образца на точность. Характерной особенностью традиционного проектирования СМС является наличие большого числа итерационных связей, которые возникают в результате появления возможных ошибок или невозможности обеспечить требуемую точность на отдельном этапе проектирования.
Для повышения эффективности проектирования предложена концепция структурно-параметрического синтеза СМС с заданными параметрами точности обработки (рис. 1), которая легла в основу методологии предпроектных исследований.
Суть данной концепции заключается в том, что на основе формализованного описания технологических возможностей проектируемой СМС, предлагается выполнить синтез вариантов компоновок ФС. Полученные на данном этапе структурные и кинематические связи, предлагается преобразовать в начальные (исходные) размерные связи и связи свойств материалов, что позволит сформировать начальное пространство проектные параметров СМС оказывающих влияние на точность. Полученные на данном этапе связи и пространство проектных параметров необходимо использовать как основу для выполнения последующего проектирования узлов, что позволит выполнить развертывание этих связей с последующим расширением пространства проектных параметров.
Предложено структурно-параметрический синтез СМС при проведении предпроектных исследований рассматривать, как систему взаимосвязанных функциональных преобразований (рис. 2), а именно: описание технологических возможностей проектируемой СМС (F1); формирование системы обрабатываемых поверхностей (F2); синтеза структуры ФС (F3); формирование (синтез) пространства проектных параметров СМС (F4); синтез допусков на проектные параметры (F5).
Технологические возможности проектируемой СМС (преобразование F1) рассматриваются как система данных, технических характеристик, описывающих возможности СМС при обработке заготовок из заданных материалов и диапазона их га баритных размеров, а также возможности при обработке заданных поверхностей в определенном диапазоне их размерных параметров и качественных показателей (точность, шероховатость) и пр.
Рис. 1. Концепция структурно-параметрического синтеза СМС с заданными параметрами точности обработки Описание Структурированные данные технологичеких для проектирования (Y1) возможностей СМС Формирование Математическое представление Fсистемы Варианты компоновок обрабатываемых поверхностей обрабатываемых отвечающие требованиям Чертежи деталей (Y2) поверхностей (Y3) и пр. технические требования (X1) FСинтез струтуры Критерии выбора (Y1,3) Конструктивные параметры формообразующей Множество проектных параметров влияющих обрабатываемых поверхностей системы на точность и области их допустимых значений (Y1,2) F3 (Y4) Формирование Данные о заготовке Варианты cтруктур Требования к точности пространства (Y1,4) (X3) Параметров (Y5) проектных параметров Синтез допусков Fпроектных Варианты компоновок (X4) парметров FРис. 2. Функциональная модель процесса предпроектных исследований СМС Для обеспечения проектных процедур разработана информационная структура исходных данных, где в качестве основных объектов выделены детали, обрабатываемые на СМС, модули поверхностей (МП) деталей, модули технологических процессов обработки (МТО), поверхности образующие модули.
Каждый объект, за исключением МТО, описывается своим набором параметров размерных связей и связей свойств материалов, существенные на данном уровне представления и включающих их номинальные значения, величины полей допусков, параметры положения поля допуска.
МП составляет основу, разработанной проф. Б.М. Базровым модульной технологии, которая в настоящее время находит широкое применение при проектировании технологических процессов. Предложена структура данных МП, в которой все данные разбиты на группы: параметры установки МП относительно базового модуля;
параметры свойств материала модуля; наборы поверхностей образующих модуль.
На этапе формирования системы обрабатываемых поверхностей (преобразование F2) выполняется математическое представление обрабатываемых поверхностей на основе четырех известных способов представления: представление поверхностей в параметрическом виде; дискретное представление множеством точек с известными в них функциями и значениями параметров; дискретное представление множеством образующих; дискретное представление множеством направляющих.
Реализация преобразования F3 позволяет выполнить синтез: вариантов структур ФС; вариантов исполнений комплектов баз для каждого звена ФС. Синтез вариантов структур ФС предложено выполнять, на основе методологии структурного синтеза металлорежущих станков, разработанных научной школой проф. А.В. Пуша.
Конкретный вариант структуры ФС описывается моделью, отражающей её структурные и кинематические связи, состоящей из координатного, скоростного, компоновочного кода ФС и основного уравнения формообразования.
Точность положения звеньев ФС будет во многом определяться погрешностью базирования этих звеньев, которую традиционно принято определять на основе положений теории базирования. Но при выполнении предпроектных исследований СМС эти положения не могут быть конкретизированы в полной мере, в виду отсутствия на этой стадии: конструктивного исполнения звеньев ФС; четких требований относительно положения баз (опорных точек) на поверхности звеньев ФС. Однако, именно эти неопределенности позволяют для каждого звена ФС сформировать конечное множество вариантов состава комплекта баз и выявить состав связей, которые необходимо создать в соответствии с принятой схемой базирования.
В соответствии с основными положениями теории базирования, придание детали определенного положения осуществляется путем соприкосновения её поверхностей с поверхностями детали или деталей, на которые её устанавливают. Звено ФС может быть неподвижным или же выполнять одно движение формообразования. В первом случае звено необходимо лишить шести степеней свободы, наложив шесть двухсторонних геометрических связей. Во втором случае, его необходимо лишить пяти степеней своды, наложив пять двухсторонних геометрических связей.
Поскольку, каждая опорная точка соотносится с одной из степеней свободы, то, накладывание связи на различные опорные точки позволяет получить все известные виды баз: установочная; направляющая; опорная; двойная направляющая; двойная опорная.
Путем сочетания различных видов баз, формируются различные варианты комплектов баз, как для неподвижных, так и подвижных звеньев ФС. При этом, в рамках одного варианта комплекта баз, различные виды связей не накладываются на одну и ту же координатную плоскость.
Для неподвижного звена было установлено существование 20 вариантов комплектов баз, а для подвижного звена 36 вариантов комплектов баз.
Формирование пространства проектных параметров (реализации преобразования F4) выполняется с использованием совокупности методов обеспечения и оценки точности СМС. Данные методы были построены исходя из положения, что в процессе эксплуатации в МС протекают процессы различных скоростей, и погрешность обработки формируется при влиянии начальной точности и процессов различных скоростей. Это позволяет на этапе предпроектного исследования сформировать пространство начальных проектных параметров, существенных для данного уровня проекта, и установить аналитические зависимости (размерные связи и связи свойств материалов) между проектными параметрами и основными показателями качества.
Синтез допусков проектных параметров (преобразования F5) может быть выполнен с помощью известных и широко используемых методов, например - теории чувствительности. Поэтому раскрытие содержания этого преобразования в работе не выполнялось.
Необходимо отметить, что при выполнении предпроектного исследования СМС могут возникать, как новые проектные решения, касающиеся её основных элементов СМС (станка, приспособлений и режущих инструментов), так, и использованы готовые, ранее полученные решения, что является более предпочтительным.
С применением энтропийных оценок процесса проектирования, было установлено, что использование созданной методологии позволяет повысить эффективность процесса проектирования СМС.
Третья глава посвящена разработке совокупности методов обеспечения и оценки точности СМС на этапе предпроектных исследований. В качестве основы использовался вариационный метод расчета точности, описанный в работах проф. В.Т.
Портмана. Это позволило величину погрешности обработки на МС определить через величины погрешности положения точек обрабатываемой поверхности r0, которые рассчитывают на основе построенного векторного баланса точности ФС. Погрешность положения точек обрабатываемой поверхности с учетом известного уравнения формообразования определяется как l r0 = A0,ii Ai,lrl, (1) i=где A0,i и Ai,l - матрицы преобразования ФС, состоящие из произведения матриц, которые реализуют одно из движений формообразования в соответствии с элементами координатного кода ki. rl - радиус-вектор точки инструмента; i - матрица вариации i-го узла ФС.
В общем виде матрицу i представляют в виде суммы i = дi + повi + перi, (2) где дi - матрица деформации i-го звена ФС; повi - матрица чистого поворота системы координат i-го звена ФС; перi - матрица смещения системы координат i-го звена ФС. Не нулевыми элементами этих матриц являются :xi, yi, zi - малые абсолютные смещения системы координат i-го звена ФС соответственно вдоль осей X, Y, Z; i,i, i - малые углы поворота системы координат i-го звена ФС соответственно вокруг осей X, Y, Z; xxi,yyi,zzi - относительно малые растяжения-сжатия i-го звена ФС соответственно вдоль осей X, Y, Z вызванные его деформациями; xyi,xzi,yzi - половины малого изменения угла i-го звена ФС станка соответственно между координатными плоскостями X0Z и Y0Z, X0Y и Z0Y, Y0X и Z0X вызванные его деформациями.
Подстановка матриц вариации соответствующих звеньев ФС в выражение (1) позволило получить векторное выражение, устанавливающее зависимость погрешности обработки на СМС от величин смещений, поворотов, растяжений-сжатий и пр.
звеньев ФС. Наличие подобной зависимости (в частном случае - размерной цепи), позволяет решать как обратную, так и прямую задачи проектирования СМС. Для обеспечения точности проектируемой СМС, используя выражение (1), формируется пространство проектных параметров оказывающих влияние на точность СМС, путем построения комплекса математических моделей, в рамках которого устанавливаются аналитические зависимости, связывающие проектные параметры СМС с величинами xi,yi,zi,i,i, i,xxi,yyi, zzi,xyi,xzi,yzi каждого звена ФС.
Формирование пространства проектных параметров на этапе проектирования состава комплектов баз. Так, как при базировании одна опорная точка лишает деталь только одной степени свободы, то в качестве её положения можно выбрать любую точку поверхности звена ФС, детали или узла входящих в её состав, отвечающую ряду условии.
При лишении звена ФС шести степеней свободы шесть точек её поверхности должны удовлетворять условиям (рис. 3) h4 N4 = 0; h5 N5 = 0; h6 N6 = 0;
h1 N1 = 1, h2 N2 = 1, h3 N3 = 1, Nh4 = 0, Nh5 = 0, Nh6 = 0, rh4 rh5 rh или при отсутствии таковых удовлетворять условиям h1 N1 > 1, h2 N2 > 1, h3 N3 > 1, Nrh4 N4 1; h5 N5 1;
N Nh4 1, Nh5 1, rh4 rhNrNrh6 N6 1;
r Nh6 1, rhrNгде, h - единичный орт, направrленный вдоль рассматриваемой оси Nкоординат, относительно которой тело лишается возможности вращаться; rh - нормированная проекция радиус-вектора поверхности Рис 3. Лишение звена ФС шести на координатную плоскость перстепеней свободы пендикулярную вектору h ; Nh - нормированная проекция вектора нормали поверхности на координатную плоскость перпендикулярную вектору h.
В виду того, что при изготовлении реальные поверхности отличаются от номинальных, в силу существования погрешностей размеров, формы и расположения, может появиться погрешность положения опорных точек, которую выразим через величину линейного смещения i. Наличие этой погрешности, при сохранении контакта, приводит к тому, что система координат звена ФС получает малые смещения x, y, z и малые углы поворота , , . Эти величины можно интерпретировать, как погрешность базирования системы координат звена ФС и при заданных величинах i их можно определить из системы уравнений ax1 + a + az1 + mx1 + my1 + mz1 = 1;
x y1 y z (3) M a + a + az6 + mx6 + my6 + mz6 = 6, x6 x y6 y z где ai = (axi,ayi,azi,0) - вектор, определяющий направление линейного смещения опорной точки (в частности ai = Ni ); mi = (mxi,myi,mzi,0) - момент вектора ai относительно осей координат mxi = azi( j ri)- ayi(k ri), myi = axi(k ri)- azi(i ri), mzi = ayi(i ri )- axi( j ri ). Использование системы (3) позволило выявить и включить в пространство проектных параметров: величины линейных смещений опорных точек; геометрические параметры, определяющие положение опорных точек.
Формирование пространства проектных параметров СМС с учетом жесткости упругих опор звеньев ФС. На данном этапе исследования СМС рассматривается как система, состоящая из звеньев (объектов), не имеющих определенной геометрических формы, размеров, и связей звена с соседними звеньями (рис. 4). Геометрические связи звена соответствуют принятой схеме базирования.
YMy Py Yl -Py Pz Mz -My -Pz Zm-Px Yl-1 Zl Px YXMx C-Mx ml -Mz Cl Xl ZZl-mml-XXl-C1 Yi-Cl-1 Yi+Ci-Ci+Zi-mi-Zi+mi+Yi Xi-Ci-Xi+Ci+mi Zi Ci Xi Рис. 4. Модель ФС и пространство её параметров Для описания статических процессов протекающих в МС выполняется переход от начальной модели ФС к эквивалентной стержневой модели, где каждое звено ФС представлено в виде стержня, а каждая двухсторонняя геометрическая связь между звеньями в виде эквивалентной упругой опоры (рис. 5). В соответствии с лишаемой степенью свободы, каждая двухсторонняя связь представляется в виде опоры: упругоосевой - если связь лишает звено возможности перемещаться вдоль одной оси; упругопоротной - если связь лишает звено возможности вращаться вокруг одной оси.
Рис. 5. Представление ФС эквивалентными стержневыми элементами Условие статического баYi liланса эквивалентной стержневой lili2 модели опишем матричным My Py liMz Pz уравнением i3 i1 iii С liMx Zi liXi Px где C - матрица жесткости; - lYi вектор обобщенных погрешноlстей ФС; P - вектор обобщенных llвнешних сил действующей на lMy Py ФС.
l1 Mz Pz 1 2 3 4 5 Использование уравнения Zi 5 6 (4), позволило выявить и вклю3 Mx Xi 1 PxPy4 My5 Mx6 Px Pzчить в пространство проектных Рис. 6. Представление звена ФС набором параметров СМС: жесткости упстержневых элементов ругоосевых и упругоповоротных опор звеньев ФС; геометрические параметры установки упругоосевых опор звеньев ФС.
Формирование пространства проектных параметров СМС с учетом статических деформационных смещений звеньев ФС. Основная задача, решаемая на данном этапе, сводилась к получению зависимостей между величинами смещений систем координат звеньев ФС и рассчитанными деформационными смещениями точек в местах установки упругих опор. Для этого звенья ФС представляем набором последовательно соединенных стержней (например, рис. 6). Узлы стержней расположены в точках установки упругих опор и приложения внешних сил, тогда полностью определенными можно считать геометрические параметры стержней и внешние силы в узлах стержней, являющиеся реакциями в упругих опорах.
Произведя преобразования звеньев ФС, деформационные смещения в узлах стержней относительно начала систем координат звеньев определяем из матричного уравнения P = [B]D, (5) где P - вектор обобщенных внешних сил действующих на ФС; [B] - матрица жесткости ФС; D - вектор деформационных смещений точек звеньев ФС.
После решения уравнения (5) относительно вектора D, определяются элементы матрицы смещений и поворотов систем координат подвижных звеньев (xi, yi, zi, i, i, i), которая будет эквивалентна матрице деформаций. Это позволило выявить и включить в пространство параметров проектируемой СМС: модули упругости;
модули сдвига; площади поперечного сечения; моменты инерции относительно координатных осей; полярные моменты звеньев ФС.
Формирование пространства проектных параметров СМС с учетом колебаний упругих опор звеньев ФС, выполним с использованием уравнения && & M Q + H Q + C Q = P, (6) где M, H, C - обобщенные матрицы приведенных масс, коэффициентов демпфирова& && ния и коэффициентов жесткости ФС; Q,Q,Q - обобщенные векторы перемещений звеньев ФС, и их первые и вторые производные; P - обобщенный вектор внешних сил приложенных к звеньям ФС.
Использование уравнения (6) позволило выявить и включить в пространство проектных параметров СМС: приведенные массы звеньев ФС; коэффициенты демпфирования для опор звеньев ФС.
Формирование пространства проектных параметров СМС с учетом колебаний звеньев ФС, выполним с использованием уравнения && & [M ]D + [H]D + [B]D = P, (7) где [M ]-матрица масс звеньев ФС; [H]-матрица демпфирования; [B] - матрица же& && сткости ФС; D, D, D - вектор деформационных смещений точек звеньев ФС и его первая и вторая производная. Использование уравнения (7) позволило выявить в включить в пространство параметров СМС: плотности материала звеньев ФС; постоянные коэффициенты необходимые для определения матрицы демпфирования, заданные для звеньев ФС.
Формирование пространства проектных параметров СМС с учетом тепловых деформаций звеньев ФС. Исходя из того, что каждое звено ФС представлено в виде набора последовательно соединенных стержней, которые будут лежать на одной из координатных осей (рис. 7) нестационарная модель тепловых процессов в проектируемой МС будет описываться уравнением & [С]T +[R]T + F = 0, (8) где [C] - матрица теплоёмкости ФС; [R]- матрица теплопроводности ФС; T - вектор температур в узлах стержней; [F] - вектор тепловой нагрузки ФС.
Связь между тепловыми lLi - 2 -1 lLi lLi деформациями стержней и температурой будет описываться заLi Li - висимостью ij = ijTij, где ij - Si - 2 Si Si - деформация j-го стержня i-го TSi -2 TSi -1 TSi звена ФС; ij - коэффициент теРис. 7. Представление звена ФС набором плового линейного расширения;
стержней при описании тепловых процессов Tij - средняя температура протекающих в МС стержня. Использование уравнения (8) позволили выявить и включить в пространство проектных параметров СМС:
коэффициенты теплообмена через боковую поверхность стержней; периметры стержней; удельная теплоемкость звеньев ФС; коэффициент теплового линейного расширения звеньев ФС.
Построение совокупности методов обеспечения и оценки точности СМС позволило установить существование непустого подмножества проектноконструкторских параметров, не оказывающих влияние на выходную точность СМС, это позволяет обоснованно снизить требования к точности изготовления соответствующих элементов СМС.
Пример проектирования шпиндельного узла токарного станка на основе подхода сверху-вниз. Как было отмечено ранее, проектирование СМС целесообразно осуществлять на основе подхода сверху-вниз, где абстрактные модели СМС, полученные на начальном уровне представления, будут уточняться (детализироваться) на последующих уровнях. При этом проектные параметры и области их допустимых значений, выявленные на начальном уровне представления, будут являться ос новой для выполнения последующих проектных процедур. Поясним данное положение на примере проектирования шпиндельного узла токарного станка. Представим на 1-м уровне представления шпиндельный узел в виде эквивалентного стержня (рис.
8).
Полагая, что упругоосевые опоры будут расположены в одной точке, сформировав исходные данные и решив матричное уравнение (4) относительно жесткостей упругих опор получим систему неравенств ограничивающих область их допустимых значений. Так, например, для жесткости в направлении оси X получим следующее ограничение cx0 Pрас (- (0) + l0(0)).
x Полученные неравенства будем рассматривать как ограничения по жесткости опор (стыков) 1-го уровня. На 2-м уровне представления шпиндельного узла (см. рис.
8) выделим, как отдельные элементы, заготовку (система координат X Y03Z03), кулачковый патрон ( X Y02Z02 ) и шпиндель ( X Y01Z01). Тогда, c учётом последова02 тельного соединения деталей, не нулевые элементы матрицы жесткости шпиндель--1 -1 -ного узла рассчитаем по формуле сШ (i, j) = (с01(i, j) + с02(i, j) + с03(i, j)).
Рис. 8 Уровни представления шпиндельного узла С учётом того, что параметры заготовки известны, а конструкции кулачковых патронов и их параметры ГОСТированны, то будем считать известными матрицы C02 и C03. Это позволит установить ограничения на элементы матрицы жесткости --1 -1 -стыка между шпиндельным валом и станиной с01(i, j) (с0(i, j) - с02(i, j) - с03(i, j) ) и далее получить систему неравенств ограничивающих область допустимых значений для элементов C01.
Так, например, для жесткости стыка в направлении оси Х получим ограничения c (cx0 - cx02 - cx1 -1;cx01l01 (cx0l0 -1 cx02(L21 - l02)-1 cx03(l03 + L32 - L21)-1)-1;
-1 -1 ) - x01 - -1 -- cx01l012 + y01 cx0l0 + y0 - cx02(L21 - l02)2 + y02 - cx03(l03 + L32 - L21)2 + y03 .
Полученные неравенства будем рассматриваем как ограничения по жесткости опор шпинделя (стыков) 2-го уровня.
На i-м уровне представления расположим на шпиндельном валу (см. рис. 8) систему упругих опор, имитирующих радиальные и упорные подшипники (точки A, B и F). Тогда задав не нулевые элементы матрицы жесткости, получим систему ограничений на элементы матрицы жесткости стыка между шпиндельным валом и станиной. Так, например, для жесткости в направлении оси Х получим cA + cB + cF cx01;cAlA + cBlB + cFlF cx01l01;
2 2 c lA + cBlB + cFlF cx01l012 + y01.
A Полученные неравенства будем рассматривать как ограничения по жесткости опор шпинделя (стыков) i-го уровня. Отметим, что так, как на i-м уровне будет создано множество вариантов представления шпинделя (см. рис. 8), то для каждого варианта будет сформирована своя система ограничений по жесткости.
Каждому варианту представления шпинделя на i-м уровне будет поставлено в соответствие множество вариантов конструкций на уровне N (см. рис. 8) отвечающих п п п п условиям сп сА, сF сF, сB сВ, где сп,сF,сB - жесткости подшипников установА А ленных соответственно в точках A, B и F.
Таким образом, с применением подхода сверху-вниз при проектировании МС становится возможным использование, установленных начальном уровне представления, проектно-конструкторских параметров и областей из значений, в качестве основы для выполнения последующих проектных процедур.
Четвертая глава посвящена разработке совокупности методов проектирования и формирования требований к сборному металлорежущему инструменту (СМИ) с учетом его влияния на точность всей металлорежущей системы.
Аспекты проектирования различных типов сборных инструментов, были достаточно полно раскрыты во многих научных работах. Однако анализ работ в этой области показал, что не достаточно освещены вопросы системного проектирования сборных инструментов для обработки сложных криволинейных поверхностей. В частности сборных фасонных фрез. Отсутствие системных подходов к проектированию данных фрез существенно снижает область их применения, в связи с этим в данной работе существующие методы структурно-параметрического синтеза сборных инструментов были дополнены и уточнены.
Анализ различных вариантов конструктивного оформления СМИ, которое, в первую очередь зависит от принятого способа крепления сменных многогранных пластин (СМП), технологических особенностей его изготовления и пр. позволили на основе теории графов, определить основные элементы обобщенной модели проектирования СМИ и задать первичные связи между элементами этой модели (рис. 9).
Обобщение методов проектирования СМИ, в частности разработанных в научной школе проф. С.Г. Емельянова, на основе системного подхода, позволило процесс проектирования укрупнено представить в виде схемы состоящей из последовательно (или условно последовательно) выполняемых проектных процедур, таких, как: задание исходных данных; моделирование номинальных Рис. 9. Обобщенная структура СМИ поверхностей детали (обработанной поверхности) и заготовки; структурно-параметрического синтеза схемы срезания припуска (СМП); структурно-параметрического синтеза проектно-конструкторского облика инструмента.
Выполнение проектной процедуры, связанной со структурно-параметрическим синтезом схем срезания припуска СМП, предполагает получение множества вариантов установки СМП относительно профиля производящей поверхности проектируемого СМИ. Каждый вариант установки, характеризуется набором СМП, определенных типов и размеров с рассчитанными матрицами их установки относительно профиля производящей поверхности. Синтез данной схемы, предложено выполнять исходя из того, что СМП должны аппроксимировать профиль производящей поверхности с погрешностью, не превосходящей максимально заданную величину. Варьируя способы ориентации СМП, её формы и размеры формируем конечное множество вариантов установки СМП.
Для оценки СМИ на этапе предпроектных исследований предложено использовать, как уже существующие, так и разработанные автором методы расчета точностных показателей СМИ (погрешности аппроксимации профиля инструмента и детали, параметров шероховатости на различных участках поверхности детали). Их использование позволяет ограничивать, на этапе предпроектного исследования количество создаваемых и рассматриваемых вариантов структур СМИ и соответствующих параметров, и тем самым повысить качество проектных решений.
Для описания пространства проектных параметров СМИ была разработана информационная структура данных и характеризующая: СМП (геометрические параметры и параметры их установки) и элементы (детали), необходимые для их закрепления в корпусе инструмента; конструктивные элементы (пазы, отверстия и пр.), которые необходимо сформировать в корпусе инструмента для установки СМП и других конструктивных элементов.
Пятая глава посвящена предпроектному исследованию СМС предназначенной для обработки штанги буровой (рис. 10), имеющей РK-3 профиль с применением разработанной метрологии.
Рис. 10. Штанга буровая с РK-3 профилем В результате выполнения синтеза структур проектируемой СМС было получено дерево возможных вариантов (рис. 11).
Рис. 11. Варианты структур формообразующей системы Выполнение синтеза структур СМС позволило получить, как уже известные способы обработки RK-профильных валов, так и новые способы их обработки (рис.
12). Например, координатный код 631662113 соответствует обработке вала фрезой или шлифовальным кругом с переменным радиусом (см. рис. 12, а), координатный код 31551612 соответствует обработке вала фасонной фрезой или шлифовальным кругом (см. рис. 12, б), а координатный код 631144231 соответствует обработке вала фрезой или шлифовальным кругом с криволинейным терцем (см. рис. 12, в). Отличительной особенностью данных способов обработки является отсутствие в ФС станка дополнительных звеньев, совершающих гармонические перемещения, что позволяет повысить точность и производительность обработки.
Рис. 12. Новые способы обработки РК-профильных валов Использование методики структурного синтеза позволило описать уравнения производящих поверхностей используемых инструментов (рис. 13).
а) б) в) Рис. 13. Производящие поверхности фрез для обработки РК-профильных валов Так, для фрезы с переменным радиусом (см. рис. 12, а), при условии, что обработка участка вала будет происходить за N оборотов фрезы, уравнение производящей поверхности примет вид (рис. 13, а) - 0.5(N +1)e + 0.5(N -1)e cos((N +1)) - Rф cos((N -1)) 0.5(N -1)e sin((N +1)) - Rф sin((N -1)) rl =.
zф Анализ полученных способов обработки позволил сделать вывод, что вариант структуры 63166213 соответствующий фрезерованию вала дисковой фрезой с переменным радиусом (см. рис. 12, а) характеризуется наибольшей производительностью и точностью. Поэтому этот вариант был выбран для дальнейшего исследования. Исходя из того, что у проектируемой СМС отсутствует приспособление, выполняющее движения формообразования, то движения 63166213 были распределены в СМС следующим образом: 6316 - станок; 6213 - фреза.
На следующем этапе исследования был выполнен синтез компоновок СМС (рис. 14).
а) б) в ) Рис. 14. Варианты компоновки проектируемой СМС Исходя из экономической целесообразности, для дальнейшего рассмотрения был принят вариант с компоновочным кодом 60316 (см. рис. 14, а).
На основании координатного кода проектируемой МС и уравнения формообразования, было выполнено построение уравнения векторного баланса при определении погрешности размера профиля R rR = sin()(y0 - z0)+ cos()(x0 + z0) + sin(3)- 3e + y4 - zф4 + i i=0 (9) + cos(3)(x4 + zф4)+ z1 + (zфi + xi).
i=и размера 2e re = -0,5z(0 + 30)- 0,5zф(44 + 0 + 30)+ y0 - 2x4 - 0,5x0. (10) На основе (9) и (10) и исходя из заданных значений допусков на размеры профиля вала (T (R) = 37 мкм и T (2e) = 30 мкм) и при z=1000 мм назначаем предельно допустимые значения величин смещений и поворотов узлов ФС оказывающих влияние на выходную точность СМС (табл. 1).
Таблица Предельно допустимые значения смещений и поворотов звеньев ФС Величины смещений и поворотов звеньев ФС, Номер звена ФС yi, мм xi, мм zi, мм i, рад. i, рад. i, рад.
Шпиндельный узел 0,005 0,005 - 0,000003 0,000003 0,0000Продольный суп- - - - 0,00003 0,000порт Поперечныйсуппорт 0,005 - - - 0,00001 0,000Фрезерный блок - - - - 0,00001 0,000Фреза 0,01 0,01 - 0,00001 0,00001 0,000Использование формулы (9) при заданных значениях предельных значениях смещений и поворотов систем координат звеньев ФС, позволяет исследовать зависимость величины rR от угла (рис. 15).
Проведенное исследование также показало, что при оценке погрешности обработки вала в радиальном сечении, на выходную точность СМС не оказывают влияние следующие параметры: y1, y2, y3, z0, Е, z4, 1, 2, 3.
На следующем этапе исследования, задав исходные данные и решив матричные уравнение (4) относительно жесткостей упругих опор получили зависимости определяющие области их допустимых значений. Так, например, для шпиндельного узла (0-е звено ФС) с01 Px x0 ; с02 Py y0 ;
0,с03 Pz z0 ; 04 Py 0 ;
5,936,1138,0 0,170,5,76 0,28,0 05 (z Px - Pz(R - e)) 0 ;
5,59 0,5,41 18,0 0,06 Py(R - e) 0.
5,24 1,8,Исходя из заданных значений 5,06 1,-2,параметров РК-профильного вала, 4,89 1,-12,предельно допустимых значений 4,71 -22,0 1,смещений и поворотов звеньев ФС 4,54 1,75 (см. табл. 1), доли от общей погрешности обработки приходящей 4,36 1,на данную составляющую получим 4,19 2,следующие области допустимых 4,01 2,3,84 2,значений для шпиндельного узла 3,67 2,с01 0,4Px Н/мкм; с02 0,4Py 3,493,2,972,3 Н/мкм; с03 Pz z0 Н/мкм;
Рис. 15. Изменение погрешности профиля вала от угла его поворота, мкм 04 6 109 Py Н/рад;
05 6109 Px +1,1056108 Pz Н/рад; 06 1,1056 108 Py Н/рад.
Таким образом, применение разработанной методологии на данном этапе исследования позволило установить зависимость жесткости стыков звеньев ФС от составляющих силы резания и радиусом фрезы, и тем самым определить области их допустимых значений.
На следующем этапе исследования представляем звенья ФС в виде стержней и решая уравнение (6) относительно величин смещений и поворотов систем координат подвижных звеньев ФС получаем зависимости для шпиндельного узла z0 Pzz E0F0 ; 0 Pyz2 42E0Ix0 ; 0 Pxz2 - 3Pzz(R - e) 42E0Iy0.
Исходя из заданных значений параметров вала, предельно допустимых значений смещений и поворотов подвижных звеньев ФС (см. табл. 1), доли от общей погрешности обработки приходящей на данную составляющую получим следующие обрасти допустимых значений для шпиндельного узла z0 3106 Pz E0F0 мкм; 510-7 0,215Py E0Ix0 рад;
510-7 17 10-6 (12500Px - 691Pz ) E0Iy0 рад.
На следующем этапе исследования был выполнен структурный синтез схем установки СМП относительно производящей фрезы (рис. 16).
Zф Yф Xф Рис. 16. Моделирование установки СМП относительно производящей поверхности фрезы Далее была выделена составляющая погрешности обработки входящая в баланс точности и приходящаяся на проектируемую фрезу (4rф ). При установке СМП относительно производящей поверхности данную составляющую погрешности можно представить как 42Mkp(Sk,i)rk (s) + Mkp(Sk,i)41rk (s), где rk (s) - точки режущей кромки СМП контактирующие с обрабатываемой поверхностью задаваемые параметром длины её режущей кромки s; 42 - матрица вариации системы координат СМП; 41 - матрица вариации режущей кромки СМП. В общем случае можно говорить о том, что матрица 41 описывает составляющую погрешности обработки связанную с погрешность размеров и формы СМП, а матрица 42 описывает составляющую погрешности обработки связанную с погрешностью положения СМП относительно производящей поверхности фрезы.
Таким образом, для обеспечения заданной точности обработки необходимо выполнить условие 4rф = 42Mkp(Sk,i)rk (s) + Mkp(Sk,i)41rk (s). На основании данного условия становится возможным, исходя из заданных элементов матрицы (см. табл. 1), назначить (определить) требования относительно точности изготовления СМП, а так же относительно положения и ориентации СМП.
Если задать величины допусков на размеры СМП Tdпk = 0,002 мм, TSпk = 0,002 мм, и на величины погрешности ориентации СМП 42 = 42 = 42 = 0,00002 рад. получим частное решение относительно параметров x42, y42 и zx42 4,4210-3 + 910-6 s + 4,310-5 sin(4i ) - 910-6 Rф sin(2i ) - 910-6 z ;
y42 4,17 10-3 - 910-6 s - 4,310-5 cos(4i ) + 910-6 Rф cos(2i) + 910-6 z ;
z42 -8,510-5 + 4,310-5(cos(4i ) - sin(4i ))+ 910-6 Rф(sin(2i ) - cos(2i )).
Полученные неравенства позволяют исследовать зависимость величин x42, y42 и z42 от проектно-конструкторских параметров проектируемой фрезы (рис.
17).
yRф=100 мм zxRф=300 мм Rф=200 мм а) б) Рис. 17. Зависимость погрешности положения СМП от угла :
а) зависимость x42, y42 и z42 при Rф = 200 мм, z=0 мм, s=0;
б) зависимость x42 от Rф при z=0 мм и s=0 мм Полученные в ходе предпроектного исследования зависимости позволили назначить научно-обоснованные требования относительно точности положения и ориентации звеньев ФС специализированного станка и СМП фрезы, а также определить области допустимых значений выявленных проектных параметров.
Данные результаты были учтены при подготовке технического задания и отражены в разделе описания требований к точности элементов СМС.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ В диссертационной работе была создана методология предпроектных исследований специализированных металлорежущих систем, поддерживающая на ранних этапах проектирования решение задачи обеспечения заданной точности, что способствует созданию конкурентоспособной техники в приоритетных отраслях отечественного машиностроения. Это позволяет качественно изменить процесс проектирования и способствует расширению возможностей конструкторов как при создании новых, так и при модернизации уже имеющихся элементов специализированных металлорежущих систем.
1. Установлено, что существующая научная проблема обеспечения заданной точности специализированных металлорежущих систем при снижении временных и материальных затрат требует поиска эффективных путей её решения.
2. Доказано, что решение указанной проблемы заключается в проведении предпроектных исследований, позволяющих создавать и рассматривать варианты структур формообразующей системы, определять соответствующие им структурные и кинематические связи, преобразовывать их в размерные связи и связи свойств материалов составляющих её звеньев, а полученные при этом результаты использовать как основу для принятия последующих проектно-конструкторских решений.
3. Построение методологии предпроектных исследований специализированных металлорежущих систем состоит:
- в создании концепции структурно-параметрического синтеза специализированных металлорежущих систем с заданной точностью обработки, как основы методологии;
- в использовании метода структурного синтеза металлорежущих систем для генерации вариантов структур и их укрупненной оценки;
- в разработке совокупности методов обеспечения и оценки точности специализированной металлорежущей системы при выполнении предпроектного исследования;
-в создании совокупности методов проектирования и формирования требований к сборному металлорежущему инструменту с учетом его влияния на точность всей металлорежущей системы;
4. При выполнении предпроектного исследования должна быть реализована система взаимосвязанных функциональных преобразований, таких как: описание технологических возможностей проектируемой металлорежущей системы; формирование системы обрабатываемых поверхностей; синтеза структуры формообразующей системы; формирование (синтез) пространства проектных параметров металлорежущей системы; синтез допусков на проектные параметры.
5. Выполнение функциональных преобразований в рамках предпроектного исследования возможно только при наличии данных, описывающих возможности проектируемой специализируемой металлорежущей системы при обработке деталей из заданных материалов и диапазона их габаритных размеров, а также возможности при обработке на заготовках заданных поверхностей в определенном диапазоне их геометрических параметров (габаритные размеры, точность, шероховатость). Обобщение исходных данных позволило создать их многоуровневую информационную структуру, описывающую технологические возможности проектируемой специализированной металлорежущей системы.
6. Для обеспечения заданной точности специализированной металлорежущей системы при проведении предпроектного исследования необходимо использовать установленные в работе зависимости между погрешностью обработки и погрешностями реализации схемы базирования звеньев формообразующей системы, деформациями звеньев и их стыков под действием статических нагрузок, протекающих динамических и тепловых процессов. Полученные зависимости являются основой для формирования пространства проектных параметров и системного управления точностью при выполнении последующих проектных процедур.
7. Существующая при выполнении предпроектного исследования неопределенность конструктивного исполнения звеньев формообразующей системы позволила, для каждого звена установить конечное множество вариантов комплектов баз и выявить состав связей, соответствующий всем известным схемам базирования. Установлено, что конечное множество вариантов комплектов баз для подвижных звеньев составляет - 20, и для неподвижных - 36.
8. Установлено, что проектирование сборного металлорежущего инструмента, выполненное с учетом влияния взаимосвязи всех элементов металлорежущей системы на точность обработки, позволяет ограничивать, на этапе предпроектного исследования количество создаваемых и рассматриваемых вариантов его структур и соответствующих параметров, и тем самым повысить качество проектных решений.
Разработанная совокупность методов формирования различных уровней абстрактного описания сборного металлорежущего инструмента, позволяет в рамках единой методологии, решать задачу обеспечения и оценки точности обработки при проведении предпроектных исследований. Разработана структура пространства проектных параметров сборного металлорежущего инструмента, характеризующая: сменные многогранные пластины и элементы (детали), необходимые для их закрепления в корпусе инструмента; конструктивные элементы (пазы, отверстия и пр.), которые необходимо сформировать в корпусе инструмента для установки сменных многогранных пластин и других конструктивных элементов.
9. При выполнении предпроектного исследования необходимо устанавливать подмножество проектно-конструкторских параметров, не оказывающих влияние на выходную точность металлорежущих систем, что позволит обоснованно снизить требования к точности изготовления соответствующих элементов металлорежущих систем.
10. Практическая реализация созданной методологии позволила получить и описать способы обработки РК-профильных валов и реализующие их инструменты (Пат. №51358, 103317, 106576) не требующие гармонических перемещений заготовки и инструмента, что позволило повысить точность и производительность обработки по сравнению с известными аналогами. Выполненные теоретические исследования позволили назначить научно-обоснованные требования к точности относительного положения и ориентации звеньев формообразующей системы специализированного станка и сменных многогранных пластин инструмента, предназначенных для фрезерования РК-профильных буровых штанг по 9-му квалитету, а также определить области допустимых значений выявленных проектных параметров, что позволило включить их в техническое задание на разработку.
11. Результаты проведенных исследований приняты к промышленному применению на предприятиях Российской Федерации: ОАО Росвертол г. Ростов-наДону; ООО Энергомаш-Хабаровск г. Хабаровcк; ОАО Судостроительный завод им. Октябрьской революции г. Благовещенск; ОАО Геомаш г. Щигры; ООО ЗРГО г. Железногорск.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
Монографии:
1. Емельянов, С.Г. Математическое моделирование сборных фасонных фрез [Текст]: монография/ С.Г Емельянов, В.В. Куц, Курск. гос. техн. ун-т, Курск, 2008. - 254 с.
2. Ивахненко, А.Г. Структурно-параметрический синтез технологических систем [Тескт]: монография / А.Г. Ивахненко, В.В. Куц, Курск. гос. техн. ун-т. Курск, 2010. Ц153 с.
3. Куц, В.В. Математическая модель сборных фасонных фрез [Текст] / В.В.
Куц //Физико-математическая теория процессов обработки материалов и технологии машиностроения. Проектирование технологических процессов в машиностроении:
коллективная монография/ С.Г. Емельянов, Ф.В. Новиков, А.А. Якимов, В.П. Ларшин, В.В. Куц и др., всего 7 чел. Под общей редакцией Ф.В. Новикова и А.В. Якимова. В десяти томах. - Т.9. - Одесса: ОНПУ, 2005. Цч. 2 - Гл. 2 - С. 510Ц54. Ивахненко, А.Г. Методология структурно-параметрического синтеза металлорежущих станков [Текст] / А.Г. Ивахненко, Е.О. Ивахненко, В.В. Куц // Прогрессивное машиностроительное оборудование: Коллективная монография / В.В. Ержуков, А.Г. Ивахненко, В.В. Куц, А.В. Киричек, А..В. Морозова и др., всего 11 чел. М.:
Издательский дом Спектр, 2011. - Разд. 1. - С. 19Ц80.
Статьи в рецензируемых научных журналах:
5. Емельянов, С.Г. Математические основы конструирования сборных дисковых фрез для обработки шеек коленчатых валов на основе графовых моделей [Текст]/ С.Г. Емельянов, В.В. Куц //Автоматизация и современные технологии, 1997, №10. - С. 17-19.
6. Емельянов, С.Г. Моделирование процесса обработки шейки коленчатого вала сборной дисковой фрезой, оснащенной сменными многогранными пластинами [Текст] / С.Г. Емельянов, В.В. Куц // Техника машиностроения, 1999, №2. - С. 21-25.
7. Емельянов, С.Г. Графовые модели конструирования и изготовления сборных дисковых фрез [Текст]/ С.Г. Емельянов, В.В. Куц // СТИН, 1999, №5. - С. 8-11.
8. Емельянов, С.Г. Корректировка положений сменных многогранных пластин при проектировании сборных дисковых фрез для обработки шеек коленчатых валов [Текст] / С.Г. Емельянов, В.В. Куц // СТИН, 2000, №2. - С. 12-15.
9. Емельянов, С.Г. Моделирование фрезерования дисковыми фрезами со сменными многогранными пластинами [Тескт] / С.Г. Емельянов С.Г., А.А. Горохов, В.В. Куц // Техника машиностроения, 2001, № 1. - С. 42-43.
10. Емельянов, С.Г. Графоаналитический метод проектирования сборных зенкеров, оснащенных сменными многогранными пластинами [Текст] / С.Г. Емельянов, М.С. Мержоева, В.В. Куц // Автоматизация и современные технологии, 2003, №11. - С.19-22.
11. Куц, В.В. Расчет величин искажения профиля обрабатываемой фасонной поверхности при разработке CAD\CAM - системы сборных фасонных фрез [Текст] / В.В. Куц // Автоматизация и современные технологии, 2004, №11. - C.5-7.
12. Емельянов, С.Г. Расчет величин искажения профиля обрабатываемой поверхности в различных сечениях при разработке CAD\CAM - системы сборных фасонных фрез [Текст] / С.Г. Емельянов, В.В. Куц, И.В. Кучеряев // Известия ТуГУ.
Сер. Инструментальные и метрологические системы. Вып. 1. Труды Международной юбилейной научно-технической конференции Наука о резании материалов в современных условиях. Часть 1. - Тула: Изд-во ТуГУ, 2005. - C. 10-12.
13. Емельянов, С.Г. Расчет положения и ориентации сменных многогранных пластин относительно производящей линии в CAD/CAM - системе сборных фасонных фрез [Текст] / С.Г. Емельянов, В.В. Куц, И.В. Кучеряев // Известия ТуГУ. Сер.
Инструментальные и метрологические системы. Вып. 1. Труды Международной юбилейной научно-технической конференции Наука о резании материалов в современных условиях. Часть 1. - Тула: Изд-во ТуГУ, 2005. - C. 12-16.
14. Емельянов, С.Г. Методика расчет параметров наладки пятикоординатных станков с ЧПУ для обработки гнезд под сменные многогранные пластины в корпусах сборных фасонных фрез [Текст] / С.Г. Емельянов, В.В. Куц, А.А. Фадеев // Известия ТуГУ. Сер. Инструментальные и метрологические системы. Вып. 1. Труды Международной юбилейной научно-технической конференции Наука о резании материалов в современных условиях. Часть 1. - Тула: Изд-во ТуГУ, 2005. - C. 16-19.
15. Куц В.В. Расчет параметров наладки станка и приспособления при обработке корпусов сборных фрез [Текст] / В.В. Куц, И.В. Кучеряев // СТИН, 2008, №7. - С. 14-17.
16. Емельянов, С.Г. Граф-функциональная модель сборных фрез [Текст] / С.Г.
Емельянов, В.В. Куц, И.В. Кучеряев // Известия ТуГУ. Серия Технологическая системотехника, Вып. 13. Труды участников Пятой Международной электроннотехнической конференции Технологическая системотехника - 2006. - Тула: Изд-во ТуГУ, 2006. - С. 149-155.
17. Ивахненко, А.Г. Схема структурно-параметрического синтеза металлорежущих систем [Текст] / А.Г. Ивахненко, В.В. Куц // Известия ОреГТУ. Серия: Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, 2009, №3-2. - С. 20-25.
18. Ивахненко, А.Г. Базирование звеньев формообразующих систем на ранних стадиях проектирования металлорежущих станков [Текст] / А.Г. Ивахненко, В.В.
Куц, М.Л. Сторублёв, А.Н. Струков // Вестник машиностроения, 2011, №3 - С. 54-57.
19. Куц, В.В. Формирование пространства проектных параметров на ранних стадиях проектирования металлорежущих станков. Статика [Текст] /В.В. Куц // Известия ОреГТУ. Серия: Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, 2010, №4(282). - С. 40-45.
20. Ивахненко, А.Г. Выявление геометрических погрешностей металлорежущих станочных систем, влияющих на точность обработки [Текст] / А.Г. Ивахненко, В.В. Куц, С.Б. Долженкова // Известия Курского государственного технического университета, 2010, № 2 (31). - С. 60-65.
21. Куц, В.В. Формирование пространства проектных параметров металлорежущих станков с учетом колебания его узлов [Текст] /В.В. Куц // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, 2010, №6(284). - С. 58-66.
22. Куц, В.В. Формирование пространства проектных параметров металлорежущих станков с учетом статических деформационных смещений узлов [Текст] / В.В. Куц // Известия Юго-Западного государственного университета, 2011, № 1 (31).
- С. 93-98.
23. Куц, В.В. Формирование пространства параметров размерных связей металлорежущих станков на ранних стадиях проектирования [Текст] / В.В. Куц // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения, 2011, № 1, - С1724.
24. Куц, В.В. Концепция структурно-параметрического синтеза металлорежущих систем с заданными параметрами точности обработки [Текст] / В.В. Куц, А.Г.
Ивахненко // Известия ОреГТУ. Серия: Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, №4/2 (288) 2011, - С 106-113.
25. Кузьменко, А.П. Совершенствование процесса проектирования металлорежущих станков [Текст] / А.П. Кузьменко, В.В. Куц // Известия Юго-Западного государственного университета. 2011, №6 (39). ч.2. - С.120-124.
26. Кузьменко, А.П. Моделирование режущих кромок дисковой фрезы с переменным радиусом предназначенной для обработки РК-профильных валов [Текст] / А.П. Кузьменко, В.В. Куц, Ю. Максименко // Известия Юго-Западного государственного университета. 2012, №1 (40). ч.1. - С.116-120.
Научные работы в других изданиях (всего 45):
27. Емельянов, С.Г. Фасонное фрезерование как один из способов получения РК-профильных валов [Текст] / С.Г. Емельянов, В.В. Куц, А.Н. Шитиков // Труды 6-й международной НТК Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве, ХарьковГТУ, 2002. - С. 114-116.
28. Емельянов, С.Г. Графовые модели проектирования сборных фасонных фрез для обработки РК-профильных валов [Текст] / С.Г. Емельянов, В.В. Куц, А.Н. Шитиков // Материалы I межд. НТК Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации, Курск, КурскГТУ, 2003. ЦС. 79 - 82.
29. Емельянов, С.Г. Моделирование движения фрезы и вала с равноосным контуром [Текст] / С.Г. Емельянов, В.В. Куц, А.Н. Шитиков // Материалы II межд. НТК Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации Курск, КурскГТУ, 2004, - С. 147Ц151.
30. Куц, В.В. Описание производящих поверхностей сборных фасонных фрез на основе параметров дискретного представления профиля обрабатываемой поверхности [Текст] / В.В. Куц // Труды 10-й международной НТК Физические и компьютерные технологии ХарьковГТУ, 2004, - C.108-109.
31. Емельянов, С.Г. Графы конструирования сборных фасонных фрез, предназначенных для обработки РК-профильных валов [Текст] / С.Г. Емельянов, В.В. Куц, А.А. Шитиков // Материалы III межд. НТК Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации, Курск, КурскГТУ, 2005, ч. 2, - C.
58-61.
32. Куц, В.В. Повышение качества сборных фасонных фрез на основе построения их математических моделей [Текст] / В.В. Куц, И.В. Кучеряев // Материалы 6-й Международной научно-технической конференции Проблемы качества машин и их конкурентоспособности - Брянск: БГТУ, 2008. ЦС. 111-112.
33. Куц, В.В. Теоретические подходы к структурно-параметрическому синтезу сборных фасонных фрез [Тескт] / В.В. Куц // Материалы I межд. НТК Инновации, качество и сервис в технике и технологиях, Курск, КурскГТУ, 2009, -C. 169-172.
34. Ivakhnenko, A.G. Basing of Elements in the Shaping Systems of Metal-Cutting Machines at Early Stages of Desin [Text]/ A.G. Ivakhnenko, V.V. Kuts, M.L. Storublev, A.N. Strukov // Russian Engineering Research, 2011, Vol. 31, No. 3, pp. 240-235. Ивахненко, А.Г. Расчетные схемы и модели для структурнопараметрического синтеза металлорежущих станков [Текст] / А.Г. Ивахненко, В.В.
Куц // Управляемые вибрационные технологии и машины: сб. науч. ст.: ч. 1 / Курск.
гос. техн. ун-т. Курск, 2010, - С. 114-119.
36. Куц, В.В. Обеспечения точности металлорежущих станков на ранних стадиях проектирования [Текст] / В.В. Куц // Материалы МНТК Проблемы и перспективы обработки металлов и заготовительных производств, Комсомольск-на-Амуре:
ГУОВПО КнАГТУ, 2010, -С. 151-158.
37. Куц, В.В. Формирование пространства проектных параметров металлорежущих станков с учетом деформационных смещений формообразующих узлов [Текст] / В.В. Куц // Сборник трудов IX МНТК Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта, и сельского хозяйства. - Ростов н/Д: И - ДГТУ, 2010, - С. 600-603.
Патенты и свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ (всего 11):
38. Патент на полезную модель № 51358, Российская Федерация, МПК B23C5/12, B23C5/20. Фреза сборная фасонная для обработки валов с равноосным контуром [Текст] / Емельянов С.Г., Куц В.В. Шитиков А.Н.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Курский государственный технический университет - № 2005119265/22, заявл. 21.06.2005; опубл. 10.02.2006, Бюл. № 39. Патент на полезную модель № 103317, Российская Федерация, МПК B23C5/06. Фреза торцевая для обработки валов с равноосным контуром [Текст] / Куц В.В., Ивахненко А.Г., Сторублев М.Л.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Юго-Западный государственный университет - № 2010122286/02; заявл.
01.06.2010; опубл. 10.04.2011, Бюл. №40. Патент на полезную модель № 106576 Российская Федерация, МПК B23C5/06. Фреза дисковая для обработки валов с равноосным контуром [Текст]/ Куц В.В., Ивахненко А.Г., Сторублев М.Л.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Юго-Западный государственный университет - № 2010134439/02; заявл.
17.08.2010; опубл. 20.07.2011, Бюл. №20.
41. Патент на полезную модель № 109682 Российская Федерация, МПК В23В19/00. Шпиндель металлорежущего и деревообрабатывающего станка [Текст] / Куц В.В., Ивахненко А.Г., Сторублев М.Л.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Юго-Западный государственный университет - № 2011113515/02; заявл.
07.06.2011; опубл. 27.10.2011, Бюл. №30.
42. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, № 2006613368 Российская Федерация, дата регистрации 25.09.06. Система автоматизированного проектирования и изготовления сборных фасонных фрез F-CAD / Куц В.В., Кучеряев И.В.
43. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, №2011610514, дата регистрации 11.01.2011 г. Расчет жесткости упругих опор узлов формообразующей системы вертикально-фрезерного станка при статических нагрузках / Ивахненко А.Г., Куц В.В., Аржаненкова В.С.
_____________________________________________ Подписано в печать __.___.2012. Формат 60х84 1/16.
Печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ.
Юго-Западный государственный университет.
305040, г. Курск, ул.50 лет Октября, 94.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям