Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

       

       

КРЕМЛЕВА Людмила Викторовна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ процесса

механической обработки сложнопрофильных

ПОВЕРХНОСТЕЙ  ЛИТЕЙНЫХ МОДЕЛЕЙ

ИЗ ДРЕВЕСНО-КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.21.05 ЦДревесиноведение, технология и оборудование

деревообработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Архангельск

2010

Работа выполнена в филиале Севмашвтуз ГОУ ВПО Санкт-Петербургский

государственный морской технический университет в г. Северодвинске

Научный консультант: заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Мелехов Владимир Иванович

Официальные оппоненты:  заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Памфилов Евгений Анатольевич

заслуженный деятель науки

республики Марий Эл,

доктор технических наук, профессор

Торопов Александр Степанович

доктор технических наук, профессор

Турушев Валентин Гурьянович

Ведущая организация  - ОАО Научно-исследовательское проектно-

конструкторское бюро Онега

(164509, Архангельская обл., г. Северодвинск, пр. Машиностроителей, д. 12)

Защита состоится л  июня 2010 г. в 10 часов на заседании

диссертационного совета Д212.008.01 при Архангельском государственном

техническом университете (наб Сев. Двины, 17, главный корпус, ауд.1228)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АГТУ.

Автореферат разослан  л мая  2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук,

доцент  А.Е. Земцовский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.  Современное производство сложнопрофильных изделий в специальном машиностроении характеризуется повышенными требованиями к точности форм и размеров рабочих поверхностей деталей и узлов машин, работающих в аэро-, гидро- или газодинамческих средах и обладающих значительными размерно-массовыми характеристиками.  Это в полной мере относится к корабельным гребным винтам, являющихся основными движителями современных подводных и надводных судов и представляющих собой сложные крупногабаритные конструкции (до 12 м в диаметре) с рабочими поверхностями двоякой кривизны. Повышенные требования к точности изготовления и обработки таких изделий вызывают необходимость совершенствования технологий на всех этапах изготовления, начиная с получения литых заготовок с минимальными припусками и отклонениями формы поверхностей от формы номинальных поверхностей гребного винта. Точность  изготовления литой заготовки для изделий с поверхностями сложной формы (ПСФ) при этом определяется качеством применяемой модельной оснастки, основой которой является литейная модель, изготавливаемая в абсолютном большинстве случаев для крупногабаритных изделий с ПСФ из древесины и древесно-композитных материалов.

Литейные модели сложнопрофильных изделий представляют собой сложные  конструкции  и имеют ПСФ, эквидистантно повторяющие поверхности готовых изделий.  Технология формирования поверхностей двоякой кривизны у литейных моделей из материалов на основе древесины является серьезной научно-технической проблемой,  связанной с необходимостью решения задач выбора рациональных режимов обработки, инструментального обеспечения, технологических баз, равномерного распределения минимального припуска на механически обрабатываемой ПСФ. Решение рассматриваемой проблемы  следует проводить на стадии технологического проектирования операции механической ПСФ, которая практически может быть осуществлена методом многокоординатного фрезерования. При этом наиболее эффективным является применение принципа, основанного на совмещении подобия операции многокоординатного фрезерования ПСФ первоначально на литейных моделях, а затем на самих изделиях при сохранении единства технологических баз, позволяющим уменьшить наследуемые погрешности формы и размеров, материалоемкость и ресурсообеспечение технологического процесса. Однако процесс формирования ПСФ литейных моделей из материалов с анизотропией физико-механических свойств достаточно сложен и принципиально отличается от применяемых технологий обработки в машиностроении. Комплексность и многоплановость рассматриваемой проблемы вызывает необходимость проведения специальных исследований в этом направлении и обуславливает актуальность работы, которая эффективно может быть выполнена с применением методов математического моделирования процесса  многокоординатного фрезерования ПСФ.

Цель и задачи работы. Целью работы является повышение эффективности технологического обеспечения формообразующей обработки ПСФ литейных моделей из древесины и древесно-композитных материалов на основе  разработки и исследования математической модели процесса многокоординатного фрезерования  поверхностей двоякой кривизны литейных заготовок из анизотропных материалов на основе древесины.

Задачи исследования:

  1. 1. Проанализировать и установить причинно-следственные связи технологических факторов и показателей процесса многокоординатного фрезерования поверхностей двоякой кривизны ортотропных материалов.
  2. 2. Теоретически проанализировать процесс  кинематики формообразования открытых ПСФ на основе математического представления номинальной  обрабатываемой поверхности и производящей поверхности фрезерного дереворежущего инструмента.
  3. 3. Разработать пространственно-геометрическую модель дереворежущего инструмента для многокоординатной обработки поверхностей двоякой кривизны.
  4. 4. Разработать расчетную модель кинематики резания при формообразовании открытых поверхностей двоякой кривизны методом построчного двухпараметрического огибания.
  5. 5. Научно обосновать и разработать концептуальную расчетную модель составляющих сил резания при многокоординатном фрезеровании анизотропных материалов.
  6. 6. Разработать динамическую модель технологической системы, воспроизводящую процесс многокоординатной обработки ПСФ заготовок из древесно-композитных материалов в частотно-временном пространстве.
  7. 7. Создать алгоритмическое, программное и методическое обеспечение расчетных методик, как  программную реализацию  математической модели процесса многокоординатного фрезерования  поверхностей двоякой кривизны заготовок из древесины и древесно-композитных материалов.
  8. 8. Провести экспериментальные исследования процесса фрезерования древесины в установленном аналитически факторном пространстве, разработать методику проведения многофакторного эксперимента, обосновать выбор технологических и инструментальных средств их обеспечения.
  9. 9. Провести ранжирование основных технологических факторов процесса фрезерования древесины и установить закономерность их влияние на качество обработанной поверхности и динамические характеристики процесса.
  10. 10. Представить математическую модель процесса многокоординатного фрезерования поверхностей двоякой кривизны литейных моделей из древесно-композиционных материалов, разработать рекомендации по управлению технологическими режимами фрезерования ПСФ, выбору рациональных схем формообразования и срезания припуска. Провести производственную апробацию научно-обоснованных рекомендаций на операции многокоординатного фрезерования поверхностей двоякой кривизны литейных моделей заготовок для корабельных гребных винтов.
  11. 12. Провести производственно-технологическую проверку математической модели процесса многокоординатного фрезерования поверхностей двоякой кривизны заготовок из древесины и древесно-композитных материалов при разработке конструкций дереворежущего инструмента и технологических режимов фрезерования.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены на основе теорий векторного анализа, дифференциальной геометрии, теоретической механики, кинематики формообразования поверхностей, технологии процессов механической обработки конструкционных материалов, динамики станков. В экспериментальных исследованиях применен  метод планирования эксперимента, математико-статистические методы обработки экспериментальных данных. Виброакустические эксперименты, регистрация и анализ результатов проведены с помощью цифровой виброизмерительной аппаратуры на созданной для проведения исследований экспериментальной установке.

Научная новизна

1. Научно обоснована и разработана комплексная математическая модель процесса многокоординатного фрезерования поверхностей двоякой кривизны литейных моделей из анизотропных материалов, позволяющая количественно оценивать уровень сил и вибраций элементов технологической системы в частотно-временном пространстве в зависимости от совокупности технологических факторов, определяющих условия резания.

2. Выявлена устойчивая корреляции между уровнем вибраций при фрезеровании древесины и шероховатостью обработанной поверхности.

3. Установлены закономерности  влияния анизотропии физико-механических свойств различных пород древесины, режимов резания, конструктивно-геометрических параметров дереворежущих фрез на уровень вибраций при обработке и качество обработанной поверхности заготовок из древесины.

4. Разработана методика управления режимами фрезерования при многокоординатной обработке сложных поверхностей литейных моделей корабельных гребных винтов.

Практическая значимость. Методическое и программное обеспечение системы расчета и анализа составляющих сил резания и вибраций при многокоординатном фрезеровании поверхностей двоякой кривизны заготовок из анизотропных материалов, конструкции фрезерного инструмента используются на предприятиях деревообрабатывающего и машиностроительного комплекса предприятий Северного центра судостроения и судоремонта. Результаты исследований, методики расчета и управления технологическими режимами фрезерования, разработанные конструкции инструмента нашли практическое применение на предприятиях, ОАО УТомский инструментФ, ОАО УБелфрезФ, ОАО "НОРДМЕКС". Разработано  программное обеспечение, позволяющее обеспечивать принцип единообразия технологий для обработки ПСФ литейных моделей и литых заготовок при постоянстве технологических баз.  Технические решения на конструкции фрез защищены патентом на изобретение.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на научно-технических конференциях и семинарах Севмашвтуза (филиала СПбГМТУ), Архангельского государственного технического университета, Московского государственного технического университета им. Н.Э.Баумана, Московского государственного технологического университета Станкин, Российского университета дружбы народов, Северного (Арктического) Федерального Университета.  Работа поддержана грантами Минобразования РФ "Разработка научных основ и экспериментальных неразрушающих экспресс-методов оценки качества сборного инструмента" (рег. № 97-24-9,5-520), "Разработка методики сквозного проектирования режущего инструмента с использованием средств CAD/CAM/CAE" (рег. № ТО2-06.6-366), грантом администрации Архангельской области  "Разработка конструкций, технологии производства многолезвийного деревообрабатывающего сложнопрофильного инструмента для лесопромышленного комплекса (рег. № Х-080-99).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 53 печатных работах, в т.ч. в 9 изданиях по перечню ВАК, в патенте на изобретение.

Объем работы.  Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 297  страницах текста и содержит 106 рисунков, 31 таблицу, список литературы из 324 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена общая характеристика проблемы, ее актуальность. 

В первой главе приведен аналитический обзор научно-технических исследований в области совершенствования технологий изготовления изделий с поверхностями сложной формы (ПСФ). В общем и специальном машиностроении  существует относительно ограниченная номенклатура деталей, имеющих сложные поверхности иррегулярной формы, описываемых в виде дискретного параметрического каркаса кривых-сечений и функционирующих, как правило, в гидро- и аэродинамических средах.  К типичным представителям таких изделий в судостроении относятся гребные винты (рис.1), габаритные размеры которых могут достигать 12 м, а требования к точности размеров, форме и качеству ПСФ повышены (таблица 1). Судовой гребной винт представляет собой систему крыльев-лопастей, закрепленных на ступице и имеющих винтовые рабочие поверхности переменного радиального и аксиального шага.

Рисунок 1- Общий вид изделия с ПСФ: а) номинальная геометрия лопасти гребного винта; б) гребной винт в процессе обработки.

Таблица 1- Точность размеров гребных винтов диаметром свыше 1 м с по ISO 484 (ГОСТ 8058)

Параметры

Допуски для винтов класса точности

особого

Высшего

Радиус, R

От ±1,0 мм до ±0,15 %

Шаг лопасти

От ±7,5 мм до ±0,75 %

От ±10 мм до ±1 %

Шаг винта

От ±1,0 мм до ±0,15 %

От ±7,5 мм до ±0,75 %

Длина сечения

От ±1,5 мм до ±0,75 %

От ±2,0 мм до ±1 %

Толщина сечения

-1 %

-1,5 %

Положение лопасти вдоль оси винта в точках 0,5R и 0,95R

От ±5,0 мм до ±0,5 %

От ±10,0 мм до ±1 %

ПСФ гребных винтов представляют собой поверхности двоякой кривизны, основным методом формообразования которых является многокоординатное фрезерование литых заготовок способом построчного огибания. Анализ технологий изготовления крупногабаритных гребных винтов на предприятиях Северного центра судостроения и судоремонта (СЦСС) показал, что основной причиной высокой трудоемкости их изготовления является необходимость систематического устранения возникающих в процессе изготовления погрешностей обработки и дополнительной доводки обработанных ПСФ поверхностей до требуемых норм точности. Операции определения, контроля и выверки конструкторских, технологических и измерительных баз крупногабаритных отливок и готовых изделий очень сложны.  Отклонения формы и размеров поверхностей отливки от номинальных ПСФ изделий требуют назначения повышенных неравномерных припусков на механическую обработку. Применяемая на предприятиях СЦСС автоматизированная система контроля величины гарантированного припуска у литых заготовок гребных винтов, позволила частично решить задачу вписываемости теоретической поверхности гребного винта в литую заготовку, но не решила задачу равномерного его распределения по всей ПСФ. Из-за низкого качества отливок, вызванного несовершенством технологий изготовления моделей  величина припуска на механическую обработку может отклонятся от расчетной более чем в 5 раз.  Равномерностью распределения припуска в пределах обрабатываемой ПСФ во многом определяется точность и качество поверхностей лопастей винтов.  Неравномерность повышенных припусков на обработку в условиях пониженной жесткости технологического оборудования формирует  систематические наследуемые погрешности обработки, которые могут быть компенсированы только частично за счет различных дополнительных технологических операций, но полностью не устраняются.

Повышение степени приближения формы и размеров ПСФ заготовки и номинальной поверхности изделий возможно на этапе изготовления литейных моделей, когда фактически формируется литейная форма отливки. Литейные модели крупногабаритных изделий с ПСФ, изготавливаемые на основе древесно-композитных материалов, представляют собой сложные многоэлементные конструкции, собираемые из  композитных заготовок различной формы и размеров (рис.2). Количество таких заготовок может доходить до нескольких десятков в зависимости от сложности и габаритов модели. Конструкции моделей сложнопрофильных деталей имеют ПСФ, эквидистантно повторяющие поверхности готовых изделий.  Отклонения по точности размеров крупногабаритных литейных моделей составляют 0,1-0,2 % от ее номинальных размеров. Для моделей из древесины и древесно-композитных материалов эти требования ужесточаются, поскольку такие конструкции подвержены изменению формы и размеров в зависимости от температурно-влажностных условий окружающей среды.

В результате проведенного анализа технологических процессов изготовления литейных моделей  на деревообрабатывающих производствах предприятий СЦСС установлено, что качество формообразующих поверхностей моделей для изделий с ПСФ обеспечивается субъективно, с помощью изготовления многочисленных шаблонов и калибров профилей сечений изготавливаемой поверхности, а эффективность применяемых методов механической обработки при формирования ПСФ определяется квалификацией исполнителей. Основным направлением повышения технологического уровня изготовления изделий с ПСФ может быть применение единого подхода к обработке ПСФ моделей и готовых изделий гребных винтов.

Рисунок 2 - а) номинальная ПСФ лопасти гребного винта, б) литейные модели  полуформ из древесно-композитных заготовок.

В технологии механической обработки древесины формообразование сложных поверхностей выполняется на многокоординатных станках с ЧПУ (обрабатывающих центрах), но обрабатываемые поверхности не требуют высокой точности, поскольку  в основном производят обработку фасадных поверхностей, узлов мебельных и столярных изделий, операции по декору изделий с несложной формой поверхностей и небольших габаритных размеров деталей.

В результате анализа работ по исследованию технологий механической обработки древесины показано, что процесс резания характеризуется рядом особенностей, связанных с  анизотропией физико-механических свойств материала.  Это затрудняет процесс его исследования и прежде всего для сложных видов обработки. Отечественная научная школа, выполнившая обширные исследования, связанные с изучением механики, кинематики и динамики резания древесины, дереворежущего инструмента и станочного оборудования, представлена работами А.Л. Бершадского,  М.А. Дешевого, С.А. Воскресенского, Ф.М. Манжоса, Ивановского Е.Г., Кряжева Н.А., Амалицкого В.В., Грубе А.Э. ,  Дерягина Р.В., Решетова Д.Н., Кудинова В.А., Подураева В.Н., Эльясберга М.Е., Жаркова К.П., Вейца В.Л.. Эти работы определили основные подходы к изучению процесса резания, динамики элементов системы станок-приспособление-инструмент-деталь (СПИД). Их анализ показал, что эффективность технологических процессов механической обработки фрезерованием определяется множеством технологических факторов, совокупность которых определяет условия резания. В процессе формирования поверхности при снятии припуска формируется силовое поле, действующее в зоне резания на элементы системы СПИД. Из-за особенностей кинематики силы резания при фрезеровании носят переменный во времени характер, что в конечном итоге приводит к деформационным отклонениям элементов технологической системы и отражается на качестве обработанной поверхности и стойкости инструмента. Амплитудно-частотные характеристики силового и деформационного полей зависят от технологических условий, связанных с геометрическими параметрами дереворежущего  инструмента, физико-механическими свойствами  и анизотропией древесины и древесно-композитных материалов, режимами резания и жесткостными, инерционными и демпфирующими характеристиками элементов технологической системы (ТС). При многокоординатной обработке ПСФ технологические факторы являются переменными, что приводит к дополнительной нестационарности условий резания. Учитывая, что траектории подачи фрезы при многокоординатном фрезеровании являются криволинейными,  анизотропия физико-механических свойств обрабатываемого материала будет являться значимым фактором при формировании силовой и деформационной нагрузки на инструмент, что существенно усложняет теоретические и экспериментальные исследования процесса. Основные причины возникновения погрешностей обработки по показателям точности, макро- и микро-геометрии обрабатываемых поверхностей можно условно разделить на две основные группы: не связанные с процессом резания и вызванные непосредственно процессом резания. К первой относят причины, связанные с характеристиками технологического оборудования (Ф.М. Манжос, Д.Н.Решетов  и др.)Ц показателями жесткости  и точности позиционирования узлов станка, схемой базирования заготовок, воздействиями вызванными дисбалансом инструмента, точностью воспроизведения траектории движения инструмента. Причины, связанные непосредственно с процессом резания, обусловлены особенностями схемы срезания припуска: величиной и направлением подачи, переменным сечением стружки, дискретностью процесса резания, анизотропией древесины и древесно-композитных материалов. Анализ работ по исследованию динамических явлений, возникающих в системе СПИД при обработке и связанный с изучением условий возникновения вибраций и методами их снижения показал, что  реальный процесс резания, как совокупность процессов деформации, трения и разрушения, характеризуется наличием колебательных явлений. Эти явления проявляются в относительном колебательном движении режущего инструмента и заготовки, в циклическом изменении силовой и тепловой нагрузок на режущую кромку, в формировании периодического профиля обработанной поверхности. Частоты и амплитуды колебаний определяются условиями резания и не всегда заметны по их внешнему проявлению, но в процессе механической обработки материала присутствуют всегда. Отмечено,  что определение природы вибраций при резании, их причинно-следственной взаимосвязи с основными технологическими факторами процесса в конечном итоге позволяют повысить эффективность обработки ПСФ литейных моделей из древесины и древесно-композитных материалов.

В то же время можно отметить, что имеющиеся рекомендации по выбору геометрических и конструктивных  параметров дереворежущего инструмента и режимов механической  обработки изделий основаны на эмпирических зависимостях (Кряжев Н.А., Грубе А.Э. и др.). Немногочисленные работы, посвященные изучению причинно-следственных связей конструкции инструмента, схемы и режимов резания с возникающими при фрезеровании  вибрациями, не отвечают на многие вопросы, связанные с выбором рациональных условий обработки и границами применимости технологических решений.

Определены цель работы и задачи исследования.

Во второй  главе приведено научное обоснование и описание  имитационной математической модели процесса многокоординатного фрезерования ПСФ моделей из древесно-композитных материалов.  При механической обработке режущая часть инструмента выполняет две взаимосвязанные функции: придает номинальной поверхности требуемую форму, т.е. участвует в формообразовании, и удаляет с заготовки припуск. В совокупности обе функции позволяют определить схему резания. 

Процесс формообразования ПСФ - это взаимодействие двух сопряженных поверхностей - детали и производящей поверхности инструмента (ИП), рациональная параметризация которых определяет эффективность процесса формообразования. Обработка открытых ПСФ крупногабаритных деталей на многокоординатных станках осуществляется  методом построчного 2-параметрического огибания, при котором контакт инструмента и заготовки является точечным. Выбор вида параметризации поверхности определяет вид траектории подачи инструмента и стратегию обработки.  Показано, что задача выбора параметризации ПСФ вариативна и в основном определяется формообразующей системой станка.

Срезание с заготовки припуска связано с возникновением сил резания и деформаций элементов системы СПИД. На основании выполненного ранее анализа научных работ определены основные технологические факторы процесса многокоординатного фрезерования ПСФ, структура и функциональные связи которых показаны на рисунке 3.

Рисунок 3 - Функциональные связи технологических факторов и показателей процесса многокоординатного фрезерования ПСФ.

Совокупность представленных технологических факторов образует факторное пространство, точки в котором определяют конкретные технологические условия обработки. Анализ взаимосвязей факторов позволил определить методологический подход к построению имитационной  математической модели многокоординатного фрезерования ПСФ древесно-композитных заготовок на основе математического описания кинематики процесса срезания припуска с заготовки при многокоординатном фрезеровании древесины как анизотропного материала.

Инструментальная поверхность фрезы (ИП) в векторно-параметрическом виде может быть описана уравнением:

,  (1)

где - радиус-вектор точек ИП в криволинейных координатах u и  ψ,  u - скалярный параметр высоты профиля, ψ - угол поворота осевого профиля относительно оси OZ,  f(u) - уравнение осевого профиля фрезы, , ,,- орты осей системы координат инструмента (СКИ) (рис. 4).

Рисунок 2 - ИП дереворежущей фрезы в системе координат инструмента.

При фрезеровании ПСФ методом построчного огибания используются копировальные концевые и торцовые дереворежущие фрезы с прямолинейной и с криволинейным профилем. Режущая кромка k-го ножа фрезы описана во внутренних криволинейных координатах ИП u и ψ в виде:

(2)

 

где ψk - угол, определяющий положение лезвия в плоскости переднего торца фрезы, λ - угол наклона лезвия.

Векторно-параметрический способ (1,2) описания геометрических характеристик инструмента позволяет  перейти к  описанию кинематики процесса резания введением параметра времени t:

ψ=ωt,  (3)

где ω - угловая частота вращения фрезы.

При построении кинематической модели процесса многокоординатного фрезерования  использован дискретный аналог формул (1) и (2). Для чего было произведено разбиение рабочих лезвий инструмента  на дискретные режущие элементы (рис.5,6) вдоль оси в направлении параметра u. Каждый такой элемент характеризуется тройкой целых чисел (координат) (i, j, k): i - номер положения элемента вдоль оси фрезы (осевое положение элемента); j - номер углового положения элемента (в направлении изменения параметра ψ)  ; k - номер лезвия, которому принадлежит  элемент. Положение "кольцевого" режущего элемента вдоль оси OZ определится как:

z=i⋅Δi,  (6)

где Δi=L/Ni, Ni -  общее количество режущих элементов в осевом направлении.

Рисунок 3 - Схема разбиения рабочей части фрезерного инструмента на дискретные элементы.

"Мгновенное" положение элемента на дуге контакта фрезы и заготовки определяется углом ψ(i,j,k) относительно оси OX СКИ:

    (7)

где - текущее угловое положение элемента при i=1, k=1, - дискретность расчета углового положения (времени), N - количество резцов фрезы, b(i,j,k)= Δi - ширина элемента, R(i) - радиус фрезы, соответствующий i-му осевому положению элемента; λ(k) - угол наклона режущей кромки k-го ножа, G(k)- угловой шаг k-го ножа. Выражение (7) имеет универсальный характер и применимо для фрез различного вида: с прямолинейными и криволинейными образующими, разнонаправленными ножами , с переменным угловым шагом зубьев. В выражении (7) первый член определяет положение торца k-го ножа в j-ом угловом положении (в tj -ый момент времени), а второй характеризует угол поворота элемента вдоль режущей кромки k-го ножа, который связан с углом λ(k). Угол ψ(i,j,k) определен в пределах угла контакта фрезы с заготовкой  и зависит от схемы обработки.

Для определения сил резания при фрезеровании  древесины использованы мгновенные силы резания, величина которых определяется мгновенным сечением срезаемого слоя. Каждый слой припуска, срезаемый режущей кромкой инструмента, заключен между двумя соседними поверхностями резания. Для описания кинематической схемы многокоординатного фрезерования ПСФ моделей произведено совмещение плоскости YOZ СКИ с вектором, касательным  к траектории подачи инструмента вдоль строки.

Известно, что толщина среза на i,j,k-ом элементе, участвующем в резании, с учетом величины подачи на резец Szk , определится выражением:

  (8)

где φ(i) - угол осевого профиля i-го элемента, ε - угол между осью фрезы и нормалью к поверхности (угол атаки). Угол ε зависит от вида фрезерования: для прямолинейных подач при обработке плоскостей и в случае плоской обработки по контуру ε=0, при 3-х координатной обработке ε≠const, при 5-координатной - обычно ε≈const≠0.

Подача на резец является величиной непостоянной для фрез с неравномерным окружным шагом зубьев (А.Э.Грубе) и в общем случае определится как

(9)

где  Sоб =Sмин/(60×ω) - величина подачи на оборот фрезы, ω - частота вращения фрезы. Следует отметить, что современные системы ЧПУ станков позволяют менять величину минутной подачи вдоль траектории, поэтом величины формулы 9 могут меняться вдоль траектории. обусловлена кривизной траектории подачи инструмента (рис.7). Для каждого значения угла ψ(i,j,k) определялись элементарные толщина и ширина b(i,j,k) сечения среза, приходящаяся на i,j,k Цый режущий элемент по формулам:

(10)

Условием нахождения режущего элемента в контакте с заготовкой являются:

Изменение углового положения элемента за счет изменения параметра j позволило представлять вращение фрезы в каждый момент времени и определять элементарные толщину и ширину среза.

а)

б)  в)

Рисунок 7 - Расчетные схемы определения подачи на оборот при многокоординатном фрезеровании анизотропных материалов: а) - схема многокоординатного фрезерования методом построчного огибания, б)  - сечение обрабатываемой поверхности нормальной плоскостью; в)-  сечение обрабатываемой поверхности касательной плоскостью.

Переход к определению силовых параметров процесса фрезерования осуществлен с учетом  того, что элементарные силы резания пропорциональны сечению срезаемого слоя с коэффициентом k, называемым удельной силой резания. Коэффициенты, определяющие радиальную Fr и осевую Fo составляющие, приняты пропорциональными окружной составляющей.  Удельная сила резания определяется физико-механическими свойствами древесины и зависит от направления подачи инструмента по отношению к направлению волокон. Поэтому для моделирования сил резания с учетом анизотропии материала мгновенный коэффициент удельной силы резания вычислялся как среднегеометрическое значение трех составляющих:

,

где kt||, kt, kt=, - коэффициенты удельных сил продольного, поперечного фрезерования и фрезерования в торец соответственно; ||, , = - проекции единичного вектора, касательного к траектории подачи инструмента,  на направления, связанные с ориентацией волокон обрабатываемой древесины (рис.10).

а)

  б)

Рисунок 10 - Элементарные силы резания, приведенные к дискретному элементу (а), схема определения коэффициента удельной силы резания при криволинейной траектории подачи (б).

Элементарные составляющие силы резания Ft(i,j,k), Fr(i,j,k), Fo(i,j,k)  приводились к осям XYZ СКИ, затем производили суммирование всех элементарных сил  в системе координат, связанной с вращающимися резцами фрезы и  СКИ  по всем элементам и всем резцам, в результате чего определяли полные мгновенные силы Ft(j), Fr(j), Fo(j),  FX(j), FY(j), FZ(j) в j-ом угловом положении. Рассчитанные значения ширины и толщины срезаемого слоя использовали в дальнейшем при расчете динамических характеристик процесса.

Особенностью процесса фрезерования с при формировании силового воздействия на упругую систему станка (УСС) является:

- силовое поле  формируется в результате одновременной работы нескольких резцов, каждый из которых создает силовой импульс длительностью, равной времени контакта его с заготовкой;

- результирующее воздействие приводит к упругой деформации элементов системы СПИД и вызывает мгновенное изменение площади сечения срезаемого слоя, которое приходится на каждый работающий в данный момент времени резец, в результате чего изменяется суммарная нагрузка, силы резания носят позиционный характер.

В общем виде динамическая модель технологической системы СПИД при резании древесины может быть описана системой дифференциальных уравнений:

  (12)

где - симметричные n×n матрицы коэффициентов инерции, демпфирования и жесткостей; - n-мерные векторы координат и действующих сил резания. Количество и направление обобщенных координат q, необходимых для динамического анализа ТС при резании, определяются конкретной технологической системой. Обобщенная динамическая модель системы СПИД при резании основана на предположении, что системы, непосредственно примыкающие к зоне резания: система инструмента (шпиндельная группа) - система заготовки, участвуют в общем относительном колебательном движении. Общая структурная схема динамического взаимодействия рассматриваемых элементов технологической системы приведены на рис. 11. Зона резания заменена действием сил резания.

Рисунок 11- Структурная схема динамического взаимодействия элементов системы СПИД через зону резания.

Принято положение, обоснованное проф. Кудиновым В.А., о замкнутости технологической системы при резании. Основным источником возбуждения колебаний являются силовые импульсы, возникающие от вхождения и выхода резцов фрезы из зоны резания. Перемещения в плоскости OXY СКИ изменяют толщину сечения срезаемого слоя. При построении модели принято допущение о линейности элементов системы СПИД к коэффициентам жесткости и демпфирования.

Модель описана системой уравнений:

    (13) 

где mX,Y,Z з ,mX,Y,Z и - приведенные к зоне резания массы систем заготовки и инструмента в направлении соответствующих осей;  λX,Y,Z з ,λX,Y,Z и - коэффициенты демпфирования систем заготовки и инструмента в направлении соответствующих осей; kX,Y,Z з ,kX,Y,Z и - коэффициенты жесткости систем заготовки и инструмента в направлении соответствующих осей; X1,Y1,Z1- абсолютные виброперемещения системы заготовки; X2,Y2,Z2- абсолютные виброперемещения системы инструмента; FXk FYk Fzk- составляющие силу резания по соответствующим направлениям на k-ом резце; Fτk Frk- тангенциальная и радиальная составляющие силу резания на k-ом резце ak(t),bk(t)- закон изменения толщины и ширины сечения срезаемого слоя на k-ом резце, обусловленные настройкой технологической системы; kτ, kr ko- эмпирические коэффициенты, характеризующие обрабатываемый материал;- истинный закон изменения толщины и ширины сечения срезаемого слоя на k-ом резце, с учетом деформаций элементов ТС, ψk(t)- текущее угловое положение k-го резца на дуге резания. Индексы t и t-τK-1 соответствуют тому, что координаты X,Y и Z для рассматриваемых систем берутся соответственно либо в текущий момент времени t, либо в момент t-τk-1 (τk- время запаздывания k-го резца, зависящее от углового шага и угловой скорости вращения фрезы). Система (13) описывает общий случай динамического взаимодействия подсистем ТС.

Разработаны комплексные алгоритмы вычислительных процедур расчета сил резания и уровня вибраций элементов технологической системы при многокоординатном фрезеровании ПСФ и выполнена их программная реализация.

В третьей главе приведены методики проведения экспериментальных исследований и обработки экспериментальных данных.

Для проведения исследований была изготовлена партия из 10 экспериментальных  концевых дереворежущих фрез одного типоразмера в соответствии с ГОСТ 8994-80, Фрезы отличались конструктивными элементами  и имели следующие общие параметры: диаметр фрез - d=16 мм, длина рабочей части lр=60 мм, материал - сталь Р6М5, твердость рабочей части 61..63 HRCэ, твердость хвостовика - 32Е42 HRCэ, передний угол =250, задний угол =100 . Варьируемые конструктивные параметры фрез приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Варьируемые конструктивные параметры экспериментальных фрез

Код фрезы

Число резцов

Угол наклона

канавки

Шаг зубьев

Стружкодел.

канавки**

1

2

0

равномерный

нет

2

2

12

равномерный

нет

3

2

30

равномерный

нет

4

2

45

равномерный

нет

5

3

30

равномерный

нет

6

3

30

неравномерный*

нет

7

2

0

равномерный

есть

8

2

45

равномерный

есть

9

3

45

равномерный

есть

10

3

45

равномерный

нет

* Угловой шаг: 1100, 1200, 1300

**Расположение канавок - шахматное, расстояние между канавками для всех фрез -  10 мм.

Виброизмерения осуществлялись с помощью цифровой измерительной и регистрирующей аппаратуры. Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 13.  Для обработки использовались заготовки из сосны, дуба  и бакаута с шероховатостью поверхности Ra не более 2,5 мкм,  влажность материалов - 15% +1%.

Рисунок 13 - Схема экспериментальной установки для измерения вибраций (а), схема крепления датчиков на заготовке (б)

Сигнал с первичных преобразователей после усиления подвергался узкополосному частотному анализу. Частотное разрешение при этом составляло 1,22 Гц. Для получения статистически достоверного спектра вибраций мгновенные спектры, полученные на основе быстрого преобразования Фурье временного сигнала, усреднялись по линейному закону. В качестве регистрируемых показателей обработки  были выбраны: шероховатость поверхности (Ra, мкм) дна фрезерованных канавок и средняя величина усредненного узколопостного спектра среднеквадратичных значений D (м/с2). Информативность вибросигнала для определения степени вклада работы механизмов станка в общую картину вибраций оценивалась с помощью серии экспериментов, при которых запись сигнала осуществлялась  при работе станка в режиме холостого хода и при резании. Результаты экспериментов показали, что источники вибраций, связанные с работой механизмов станка и дисбалансом фрезы в общем вибрационном процессе при резании не превышают 12 %.

Для проведения экспериментальных исследований разработан план эксперимента и методическая сетка опытов. Исследуемые технологические факторы разделены на группы:

- параметры режима резания и вид фрезерования: подача S - (X1), глубина резания t - (X2), направление подачи по отношению к волокнам- (X3).

- конструктивные параметры инструмента: число зубьев z -(X5), угол наклона стружечных канавок λ - (X4), неравномерность углового шага q- (X6), наличие стружкоразделительных канавок  f - (X7).

Для проведения вычислительного эксперимента определены упругие, инерционные и демпфирующие характеристики шпиндельной группы станка в лабораторных условиях. Вычислительный эксперимент на математической модели выполнен по планам натурных экспериментов.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований При построении регрессионных моделей приняты зависимости:

D=AdSzatb

Ra=ARSzctd

Таблица 7. Коэффициенты регрессионных моделей при экспериментальном исследовании влияния режимов резания на динамические параметры и шероховатость поверхности при фрезеровании.

Порода древесины

Направление подачи

Ad

a

b

AR

c

d

сосна

вдоль волокон

0,03

0,023

0,39

5,78

0,58

0,81

сосна

поперек волокон

0,036

0,19

0,45

6,1

0,49

0,84

дуб

вдоль волокон

0,052

0,113

0,32

6,78

0,58

0,85

дуб

поперек волокон

0,055

0,077

0,29

7,2

0,61

0,81

бакаут

вдоль

0,093

0,23

0,49

6,1

0,41

0,9

Частные экспериментальные однофакторные зависимости влияния режимов резания и конструктивно-геометрических параметров фрез на регистрируемые выходные показатели процесса фрезерования древесины показаны на рисунках 8-13.

 

Рисунок 8- Влияние режимов обработки и направления подачи на уровень вибраций (D) и шероховатость поверхности для различных пород древесины (фрезерование, d=16 мм, =250, =100 , Sz=0,2 мм/зуб, n=2000 об/мин).

Рисунок 9- Влияние угла наклона режущей кромки на уровень вибраций и шероховатость поверхности в зависимости от породы древесины (фрезерование вдоль волокон, d=16 мм, =250, =100 , n=2000 об/мин).

 

Рисунок 10- Влияние числа зубьев на уровень вибраций и шероховатость поверхности в зависимости от режимов обработки (фрезерование сосны вдоль волокон, d=16 мм, =250, =100 , n=2000 об/мин).

Рисунок 11- Влияние неравномерного окружного шага зубьев на уровень вибраций (концевое фрезерование вдоль волокон, d=16 мм, =250, =100 , n=2000 об/мин).

.

Рисунок 12- Влияние стружкоделительных канавок на уровень вибраций (концевое фрезерование вдоль волокон, d=16 мм, =250, =100 , n=2000 об/мин  t=15 мм).

 

Рисунок 13-Влияние направления подачи инструмента на динамические параметры и шероховатость поверхности (фрезерование сосны, d=16 мм,λ=120,  =250, =100 , n=2000 об/мин, t=15 мм, S=1000 мм/мин)

Определены корреляционные отношения между уровнем вибраций и шероховатостью поверхности для каждой группы экспериментов, которые составили  от 0,67 до 0,91. Отсутствие корреляции между уровнем вибраций и шероховатостью поверхности выявлено при исследовании влияния неравномерного окружного шага резцов и наличие стружкоделительных канавок режущих. Показано, что наибольший коэффициент групповой корреляции (0,79) установлен в группе экспериментов по фрезерованию заготовок из дуба, наименьший - для бакаута. Результаты экспериментов позволили сделать вывод о сложной зависимости между технологическими факторами и выходными показателями процесса и значимым влиянием на выходные показатели процесса анизотропной структуры древесины.

Приведены результаты анализа выполненных на математической модели вычислительных экспериментов, дана оценка адекватности разработанной математической модели многокоординатного фрезерования ПСФ. Межгрупповые и выборочные коэффициенты корреляции расчетных и экспериментальных данных являются значимым для всех групп выполненных расчетов, на основании чего сделан вывод об адекватности модели и возможности использования ее для прогнозирования уровня вибраций при обработке. На основе анализа результатов экспериментальных исследований дано объяснение некоторым установленным закономерностям.

Влияние глубины резания и подачи на уровень вибраций процесса обработки следует оценивать во взаимосвязи, поскольку от их величины зависят параметры сечения срезаемого слоя. Глубина резания (при постоянном числе резцов, находящихся в резании) определяет длину активных режущих кромок. Увеличение глубины резания при постоянной подаче на зуб ведет к увеличению длины активных режущих кромок, суммарной силовой нагрузки на инструмент и, как следствие, увеличению деформаций элементов системы СПИД. Степень этого увеличения зависит от удельной силы резания и величины подачи  на резец. Увеличение удельной силы и глубины резания при одновременном снижении подачи может привести к нестационарности колебательного процесса. Поэтому обработка с небольшими подачами при срезании значительных припусков может привести к нестационарности колебательного процесса. Качественное сравнение характера экспериментальных спектров колебаний при обработке древесины с различными силовыми коэффициентами  при изменении глубины резания и подачи качественно подтвердило  достоверность полученных расчетных результатов.

Влияние количества  резцов на уровень вибраций. Увеличение количества резцов фрез принято связывать с уменьшением неравномерности фрезерования, увеличением производительности процесса механической обработки и снижением кинематических параметров микрогеометрии профиля. Увеличение количества резцов фрезы при сохранении производительности обработки приводит к уменьшению толщины сечения срезаемого слоя, поэтому увеличивая число резцов при снятии повышенных припусков с заготовки необходимо увеличивать и скорость подачи особенно для твердых пород древесины. Увеличенное количество резцов у фрез целесообразно при чистовых видах обработки с небольшими глубинами резания.

Увеличение угла наклона режущих кромок λ с одновременным увеличением глубины резания приводит к снижению уровня колебаний.

Натурные эксперименты с применением фрез с неравномерным окружным шагом зубьев  показали, некоторое снижение уровня вибраций на технологическом режиме, при котором фреза работает с длинными и узкими стружками (Андреев В.С), на всех остальных режимах такого эффекта не наблюдалось. Для объяснения этого факта было проведено моделирование процесса фрезерования с неравномерным окружным шагом зубьев. Установлено, что при невысокой жесткости ТС неравномерный окружной шаг оказывает влияние на снижение уровня колебаний при фрезеровании  древесины с высокими силовыми коэффициентами резания при снятии повышенных припусков с малыми подачами, когда колебательный процесс становится нестационарным и не оказывает заметного влияния на режимы стационарных вынужденных колебаний. Аналогичные результаты получены для фрез со стружкоделительными канавками.

На основе результаты экспериментальных исследований проведено ранжирование технологических факторов по степени их влиянии на уровень вибраций при обработке и шероховатость поверхности . Наиболее значимыми факторами, влияющими на уровень вибраций являются: порода древесины (условный коэффициент ранжирования k принят за 1), направление фрезерования (k=0,58) и параметры режима резания (k=0,68). Наиболее значимыми факторами, влияющими на шероховатость поверхности, являются: направление резания (k принят за 1) и режимы обработки (k=0,78). Конструктивно-геометрические параметры инструмента оказывают меньшее влияние на процесс резания (k от 0,11 до 0,28).

В результате выполненного установлены закономерностей влияния технологических параметров фрезерования  на качество поверхности и уровень вибраций при обработке.

В пятой главе приведено исследование с помощью математической модели операции многокоординатного фрезерования поверхностей двоякой кривизны литейных моделей из древесно-композитных заготовок лопастей корабельных гребных винтов. Проведен анализ схем многокоординатного фрезерования для формообразующих систем  обрабатывающих центров винтообрабатывающего производства ОАО МП Звездочка моделей DFC-2022, FCW 150 NC.

Следует отметить, что на производстве частично решена задача автоматизированной подготовки управляющих программ для многокоординатной обработки поверхностей сложной формы гребных винтов. Однако комплексно решить проблему повышения эффективности технологии изготовления винтов можно только с использованием сквозных технологий конструкторско-технологического проектирования: литейная модель - отливка - гребной винт. Представлен обобщенный алгоритм технологического проектирования операции многокоординатной обработки поверхностей сложной формы.

Представлены две принципиальные схемы резания, отличающиеся типом построкового огибания при формообразовании поверхности: с направлением траектории обработки строк по коаксиальным окружностям и вдоль лопасти (рис.20).

Рисунок 18 - Обобщенный алгоритм технологического проектирования операции многокоординатного фрезерования заготовок с ПСФ.

а)  б)

Рисунок  20 - Схемы фрезерования поверхностей двоякой кривизны модели лопасти гребного винта: а) с траекториями вдоль коаксиальных окружностей; б) с траекториями вдоль образующей лопасти.

Основные виды фрезерования ПСФ литейных моделей представлены на рисунке 21.

а) б)

Рисунок 21- Схемы радиально-торцового (а) и аксиально-торцового фрезерования (б).

Особенностью представленных схем является то, что угол контакта инструмента и заготовки (который определяет ширину фрезерования) зависит от нескольких взаимосвязанных параметров: угла атаки ε, диаметра фрезы и величины снимаемого припуска. Эти параметры, при всех прочих равных условиях оказывают влияние на характеристики возникающих в процессе обработки сил и деформаций. Выполнено математическое моделирование  процесса многокоординатного фрезерования моделей гребных винтов, на основе которого дана оценка уровня вибраций при обработке.

В результате установлено, что  увеличение угла атаки для радиально-торцового фрезерования в целом снижает уровень вибраций, но приводит к увеличению величины регулярной волны на обработанной поверхности и необходимости уменьшения ширины строки обработки.  Для 3-координатной обработки с направлением строк вдоль лопасти даны  рекомендации о введении изменяющейся величины подачи вдоль строки для первого прохода фрезы, позволяющий стабилизировать уровень вибраций.

Приведены результаты производственной апробации исследований при обработке поверхностей литейных моделей из древесины сосны с использованием 3-х координатной схемы обработки на горизонатальном фрезерно-расточном станке модели FCW 150 NC  фрезами Sandvik Coromant R200-080Q32-20M D 100 мм, z=6 и R300-32Т16-12М D 32 мм, z=3, для которых были изготовлены круглые резцы из R6M5 со сферической передней поверхностью с =300, =150 (рис.22).

Рисунок 22- Торцовое 3-х координатное фрезерование литейных моделей гребных винтов из древесно-композитных материалов.

Компенсация нестационарных условий резания из-за изменения величины припуска вдоль строки и вариации неуправляемых углов атаки осуществлялась программно изменяемой величиной подачи инструмента, рассчитанной с помощью представленных расчетных методик.

В шестой главе представлен программный комплекс для моделирования динамики процесса многокоординатного фрезерования анизотропных материалов и результаты исследования  при практической разработке конструкций фрезерного инструмента.

Для торцового фрезерования формообразующих ПСФ крупногабаритных моделей из древесно-композитных материалов разработан типоразмерный ряд специальных копировальных дереворежущих фрез с круглыми сменными пластинами. Фреза позволяет осуществляет многокоординатную обработку поверхностей двоякой кривизны методом последовательных  проходов. Геометрия инструментальной поверхности таких фрез допускает широкий диапазон изменения углов атаки и позволяет при установленных ограничениях на номинальную кривизну поверхностей гребных винтов обрабатывать поверхности соответствующих моделей на трехкоординатных станках и компенсировать отсутствие у обрабатывающих центров ориентационных координат.

                                                       Для фрезерования радиусных кромок была спроектирована и изготовлена специальная фасонная фреза с винтовым зубом, режущая кромка которой выполнена в виде винтовой линии аксиально- и радиально-переменного шага.

Разработана, изготовлена, испытана и передана на производство в АО УТомский инструментФ и СП УНордмексФ конструкция универсальной сборной насадной дереворежущей фрезы с увеличенным количеством резцов.  Разработан и запатентован специальный трехступенчатый многорезцовый инструмент. Созданы параметрические 3D-библиотеки нормализованных узлов конструкций и справочные базы данных режимов резания, инструментальных и обрабатываемых материалов, содержащие сведения о физико-механических и технологических свойствах различных пород древесины и древесно-композитных материалов.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате выполненного комплекса теоретических и экспериментальных исследований созданы методологические основы технологического обеспечения качества и виброустойчивости механической обработки ПСФ литейных моделей из древесины и древесно-композитных материалов на стадии подготовки производства на основе  созданной математической модели процесса многокоординатного фрезерования анизотропных материалов, позволяющей управлять деформационно-силовыми параметрами процесса резания  за счет выбора рационального сочетания исследованных технологических факторов.

  1. 2. Создана функциональная модель причинно-следственных взаимосвязей показателей точности и шероховатости ПСФ  литейных моделей из анизотропных материалов с технологическими факторами режима резания, конструктивно-геометрическими параметрами дереворежущего инструмента с учетом анизотропии физико-технических свойств древесины, жесткостных и массо-инерционных характеристик элементов ТС.
  2. 3. Проведенный теоретический анализ механизма формообразования ПСФ заготовок из древесно-композитных материалов позволил разработать расчетную модель кинематики резания при многокоординатном фрезеровании открытых ПСФ с учетом кривизны траектории подачи дереворежущего инструмента и его конструктивно-геометрических характеристик.
  3. 4. Разработана концептуальная расчетная модель составляющих сил резания при многокоординатном фрезеровании, основанная на кинематике формообразования поверхности и  учитывающая анизотропию физико-механических свойств обрабатываемого материала. Предложено коэффициент мгновенной удельной силы резания при подаче инструмента вдоль криволинейной траектории вычислять как среднегеометрическое значение трех основных видов фрезерования.
  4. 5. На основе разработанной структурной схемы динамического взаимодействия элементов технологической системы при многокоординатном фрезеровании древесины разработана динамическая модель, позволяющая в  частотно-временном пространстве вычислять силовые и деформационные параметры процесса многокоординатной обработки ПСФ заготовок из древесно-композитных материалов. 
  5. 6. На основе результатов  экспериментальных исследований процесса фрезерования древесины в определенном аналитически факторном пространстве установлена  устойчивая корреляционная зависимость между показателями среднеквадратичного отклонения возникающих вибраций и показателями шероховатости обработанной поверхности с коэффициентами регрессии от 0,67 до 0,91. Получены регрессионные зависимости параметров вибраций и шероховатости обработанной поверхности от групп технологических факторов, связанных с характеристиками обрабатываемой породы  древесины, параметрами режима резания и конструктивно-геометрическими параметрами дереворежущего инструмента. 
  6. 7. Экспериментально установлены следующие коэффициенты ранжирования в группах исследованных технологических факторов по степени их влияния на показатели эффективности процесса фрезерования:
  7. - по уровню вибраций:  порода обрабатываемой древесины (kр=1), анизотропия физико-механических свойств (kр=0,58), режимы резания - (kр=0,68);
  8. - по шероховатости поверхности: анизотропия физико-механических свойств (kр=1),  режимы резания - (kр=0,72).
  9. Экспериментально установлено, что факторы, связанные с конструктивно-геометрическими особенностями дереворежущего инструмента оказывают меньшее влияние на указанные показатели.
  10. 8. Результаты численных экспериментов на разработанной математической модели процесса многокоординатного фрезерования ПСФ позволили дать научно-обоснованное объяснение механизма влияния исследованных технологических факторов на динамические параметры процесса фрезерования анизотропных материалов.

Теоретически и экспериментально подтверждена возможность снижения уровня вибраций за счет применения фрезерного инструмента с винтовыми режущими кромками и с неравномерным окружным шагом резцов при фрезеровании древесины с высокими силовыми коэффициентами резания при снятии повышенных припусков в условиях низкой жесткости элементов ТС.  Увеличения угла наклона режущей кромки резца до 30-400  приводит к снижению уровня вибраций примерно 30% .

  1. 9. Разработана математическая модель и выполнено математическое моделирование процесса многокоординатного фрезерования поверхностей двоякой кривизны литейных моделей из древесно-композиционных материалов судовых гребных винтов. Разработаны рекомендации по управлению программно-изменяемыми технологическими режимами 3-х координатного фрезерования ПСФ на литейных моделях из древесно-композитных материалов гребных винтов, которые позволили снизить уровень вибраций при обработке на 10-15 Дб на первоначальных (черновых) проходах фрезы и повысить шероховатость обработанной поверхности до Ra 2,4Е..5 мкм при окончательном (чистовом) фрезеровании.
  2. 10. Производственно-технологическая апробация математической модели процесса многокоординатного фрезерования поверхностей двоякой кривизны литейных моделей  гребных винтов и рекомендаций по управлению режимами обработки позволили обеспечить равномерный литейный припуск на отливке гребного винта, изготовленной с использованием  и значительно максимально приблизить форму ее лопастей к номинальным лопастям готового изделия. Снижение трудоемкости доводочных операций при механической обработке  винта составило  в среднем 34 %. 
  3. 11. Разработаны и внедрены на предприятиях СЦСС: методики расчета, рекомендации по управлению режимными параметрами, техническая документация на типоразмерный ряд специальных копировальных сборных дереворежущих фрез. Разработаны  конструкции сборных дереворежущих фрез, цельных фасонных фрез с винтовыми режущими кромками, техническая документация на  которые передана на инструментальные предприятия.  Запатентованы конструкции специальных  трехсторонних фрез.

Основные результаты работы опубликованы:

В изданиях по перечню ВАК

1. Подураев В.Н., Кремлева Л.В., Малыгин В.И. Динамическая модель элементов технологической системы с учетом кинематической нестабильности процесса резания/ Вестник машиностроения. -  1996. -  №6. - С.18-23.

2. Малыгин В.И., Кремлева Л.В. Методика расчета динамических параметров процесса фрезерования древесины с учетом кинематической нестабильности технологической системы/ ИВУЗ, Лесной журнал, №1 Архангельск.-2003.-С.95-103.

3. Малыгин В.И., Кремлева Л.В., Шестаков К.Л. Проектные решения в технологии деревообработки/ ИВУЗ. Лесной журнал, 2006, № 3. - С.120-125.

4. Малыгин В.И., Кремлева Л.В., Лобанов Н.В. Методы оптимизации и оценка качества дереворежущих фрез при стендовом и математическом моделировании. 1. Алгоритм решения задачи оптимизации конструкции сборного инструмента при физическом и математическом моделировании/ ИВУЗ. Лесной журнал, 2008, № 2. - С.60-70.

5. Малыгин В.И., Кремлева Л.В. К вопросу о динамической устойчивости ленточных пил/ ИВУЗ. Лесной журнал, 2008, № 5. - С. 96-108.

6. Малыгин В.И., Кремлева Л.В., Лобанов Н.В. Методы оптимизации и оценка качества дереворежущих фрез при стендовом и математическом моделировании. III. Исследование влияния конструктивных параметров на динамическое качество сборных фрез при стендовом моделировании/ ИВУЗ. Лесной журнал, 2008, № 1. - С.83-89.

7. Кремлева Л.В.  Динамическая модель многокоординатного фрезерования поверхностей гребных винтов/ Морской вестник, 2007, № 1(4). - С.142-146.

8. Кремлева Л.В., Малыгин В.И., Вареников И.Л. , Харитоненко В.Т. Функциональная модель САПР технологических процессов изготовления деревянных модельных комплектов/ ИВУЗ. Лесной журнал, 2010, № 1. - С.71-74.

9. Кремлева Л.В., Малыгин В.И., Вареников И.Л., Харитоненко В.Т. Влияние технико-экономических показателей деревообрабатывающего модельного производства на методологию автоматизации его технической подготовки / ИВУЗ. Лесной журнал, 2010, № 2. - С.70-74.

Авторских свидетельствах и патентах

10. Малыгин В.И. , Лобанов Н.В., Кремлева Л.В. Многозубый режущий инструмент// Патент № 2063308 от 10.07.96, бюл. № 19.

В прочих изданиях

  1. Малыгин В.И.  Мюллер О.Д. Кремлева Л.В. Динамическая модель сборных фрез // Вибрация и вибродиагностика, проблемы стандартизации: Материалы  II Всесоюзной научн.-техн. конф. - Горький, 1988. - С.94-95.
  2. Малыгин В.И., Кремлева Л.В. Оптимизация конструкции сборных фрез// Вибрация и вибродиагностика: Материалы научн.-техн. конф.- Киров, 1988. - С.20-21.
  3. Малыгин В.И. Кремлева Л.В. Динамическая модель процесса фрезерования //Вопросы технологии, эффективности производства и надежности: Научн.-техн. сб. - Северодвинск, 1995, - № 13. - С.55-60.
  4. Кремлева Л.В. Разработка динамической модели торцового фрезерования //Новые информационные технологии в проектировании и производстве: Научн.-техн. сб. - Северодвинск: РИО Севмашвтуза, 1997. - С.38-42.
  5. Кремлева Л.В. Решение прямой задачи профилирования инструмента при многокоординатном фрезеровании криволинейных  поверхностей // Перспективные технологии строительства и утилизации судов на предприятиях ГРЦАС: Мат. научн.-техн. конф. ГPЦАС. - Северодвинск, 2000. - С.32-33.
  6. Кремлева Л.В. Шестаков К.Л.Функциональное моделирование процесса резания при многокоординатном фрезеровании изделий судостроения //Перспективные технологии строительства и утилизации судов на предприятиях ГРЦАС: Мат. научн.-техн. конф. ГPЦАС. - Северодвинск, 2000. - С.42-45.
  7. Кремлева Л.В. Методика определения энергосиловых параметров процесса многокоординатного фрезерования криволинейных поверхностей // Перспективные технологии строительства и утилизации судов на предприятиях ГРЦАС: Мат. научн.-техн. конф. ГPЦАС. - Северодвинск, 2000. - С.34-35.
  8. Кремлева Л.В. Худяков М.П. Резервы управления нестационарностью процесса обработки //Перспективные технологии строительства и утилизации судов на предприятиях ГРЦАС: Мат. научн.-техн. конф. ГPЦАС.- Северодвинск, 2000. - С.38-40 .
  9. Кремлева Л.В. Повышение эффективности механической обработки сложных криволинейных поверхностей методами функционального моделирования процесса резания на этапе технологического проектирования // Перспективные технологии строительства и утилизации судов на предприятиях ГРЦАС: Мат. научн.-техн. конф. ГPЦАС. - Северодвинск, 2002. - С. 28-30.
  10. Кремлева Л.В. Худяков М.П. Деформационная точность механической обработки корабельных корпусных конструкций// Конструкторско-технологическая информатика - 2000: Труды конгресса. В 2-х т.т.T.1/ IV междунар. конгресс. - М: Изд-во "Станкин", 2000. - С.303-305.
  11. Кремлева Л.В. Анализ формообразующей системы станка при многокоординатном фрезеровании лопастей гребных винтов// Проблемы корабельного машиностроения: Сборник докладов научн.-практ. конф. Выпуск 1.-  Северодвинск: РИО Севмашвтуза,2002. - С.40-46.
  12. Кремлева Л.В. Шестаков К.Л. Решение задачи параметрического синтеза проектных решений на основе использования искусственных нейронных сетей //Проблемы корабельного машиностроения: Сборник докладов научн.-практ. конф. Выпуск 1.-  Северодвинск: РИО Севмашвтуза, 2002. - С.47-50.
  13. Кремлева Л.В. Расчетный метод анализа энергосиловых параметров процесса  механической обработки изделий судостроительного производства // Проблемы корабельного машиностроения: Сборник докладов научн.-практ. конф. Выпуск 1.-  Северодвинск: РИО Севмашвтуза,2002. - С.51-58.
  14. Кремлева Л.В. О критической скорости резания при обработке материалов ленточными пилами // Проблемы корабельного машиностроения: Сборник докл. научн.-практ. конф. Выпуск 1.-  Северодвинск: РИО Севмашвтуза,2002. - С.74-77.
  15. Кремлева Л.В. Динамическая устойчивость ленточных пил //Проблемы корабельного машиностроения: Сборник докладов научн.-практ. конф. Выпуск 1.-  Северодвинск: РИО Севмашвтуза,2002. - С.66-73.
  16. Кремлева Л.В. Худяков М.П. Деформационная точность механической обработки сложных криволинейных поверхностей изделий корабельного машиностроения// Новые материалы и технологии в машиностроении. Сборник научных трудов. Выпуск 1. - Брянск, 2002. - С. 52-56/
  17. Кремлева Л.В. Худяков М.П. Математическая модель многокоординатного фрезерования криволинейных поверхностей изделий корабельного машиностроения// Динамика систем, механизмов и машин: Мат. IV Междунар. научн.-техн. конф. -  Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002. - Кн.2. - С.70-73.
  18. Кремлева Л.В. Перфильев П.В.Худяков М.П. Моделирование при проектировании и изготовлении сборных дереворежущих фрез //Актуальные проблемы лесного комплекса. Сборник научных трудов. Выпуск 6. - Брянск, 2002. -С.99-100.
  19. Кремлева Л.В. Моделирование динамических процессов при многокоординатном фрезеровании// Вопросы технологии, эффективности производства и надежности. Выпуск 19. - Северодвинск: РИО Севмашвтуза, 2002. - С.87-90.
  20. Кремлева Л.В. Концептуальные основы построения САПР фрез общего назначения// Проблемы корабельного машиностроения: Сборник докладов научн.-практ. конф. Выпуск 2.-  Северодвинск: РИО Севмашвтуза, 2003 - С.39-44.
  21. Кремлева Л.В. Методика геометрического моделирования цельных фрез с винтовыми стружечными канавками //Проблемы корабельного машиностроения: Сборник докладов научн.-практ. конф. Выпуск 2.-  Северодвинск: РИО Севмашвтуза, 2003. - С.48-50.
  22. Кремлева Л.В. Рохин О.В. Методика оценки точности гребных винтов при их изготовлении //Проблемы корабельного машиностроения: Сборник докладов научн.-практ. конф. Выпуск 2.-  Северодвинск: РИО Севмашвтуза, 2003. - С.6-10 .
  23. Кремлева Л.В. Программный комплекс построения динамических моделей процессов в технологических системах// Проблемы корабельного машиностроения: Сборник докладов научн.-практ. конф. Выпуск 2.-  Северодвинск: РИО Севмашвтуза, 2003. - С.51-54
  24. Кремлева Л.В. Автоматизированное проектирование фрез общего назначения. - Северодвинск: РИО Севмашвтуза.- 2003.- 70 с.
  25. Денисов В.А., Рохин О.В., Кремлева Л.В. Методика создания электронной конструкторской модели гребных винтов средствами CAD UNIDRAPHICS//Современные проблемы машиностроения. Труды II Международного научно-технической конф. - Томск: Изд-во ТПУ, 2004. C.309-314.
  26. Кремлева Л.В., Рохин О.В. Автоматизация контрольно-измерительных операций при изготовлении гребных винтов//Современные проблемы машиностроения. Труды II Международного научно-технической конф. - Томск: Изд-во ТПУ, 2004.- С.296-299.
  27. Кремлева Л.В. Моделирование динамики многокоординатного фрезерование поверхностей гребных винтов//Проблемы корабельного машиностроения Сборник докладов научн.-практ. конф. Выпуск 4.-  Северодвинск: РИО Севмашвтуза, 2005. - С.51-58.
  28. Кремлева Л.В., Рохин О.В., Денисов В.А. Электронная конструкторская модель гребного винта//Информационные технологии в науке, образовании и промышленности: материалы международной научно-технической конф. - Архангельск: АГТУ. - С. 141-145.
  29. Кремлева Л.В. Методика сквозного конструкторско-технологического проектирования обработки гребных винтов//Информационные технологии в науке, образовании и промышленности: материалы международной научно-технической конф. - Архангельск: АГТУ. - С. 132-136.
  30. Кремлева Л.В., Рохин О.В. Методика автоматизации контрольно-измерительных операций при изготовлении гребных винтов// Информационные технологии в науке, образовании и промышленности: материалы международной научно-технической конф. - Архангельск: АГТУ. - С. 137-140.
  31. Кремлева Л.В. Повышение эффективности механической обработки гребных винтов методами сквозного конструкторско-технологического проектирования// Проблемы корабельного машиностроения Сборник докладов научн.-практ. конф. Выпуск 3.-  Северодвинск: РИО Севмашвтуза, 2005. - С.59-62.
  32. Рохин О.В. Кремлева Л.В. Экспериментально-аналитический метод оценки точности геометрии гребных винтов при их изготовлении// Проблемы корабельного машиностроения Сборник докладов научн.-практ. конф. Выпуск 2.-  Северодвинск: РИО Севмашвтуза, 2005. - С.8-12.
  33. Рохин О.В., Кремлева Л.В. Информационная конструкторско-технологическая модель гребного винта// л100 лет Российскому подводному флоту: тез.докл. науч.-прак.конф. - Северодвинск, ФГУП МП СЕВМАШ, 2006. -С31-32.
  34. Кремлева Л.В., Малыгин В.И. Компьютерное моделирование динамики многокоординатного фрезерования поверхностей гребных винтов// 100 лет Российскому подводному флоту: тез.докл. науч.-прак.конф. - Северодвинск, ФГУП МП СЕВМАШ, 2006. ЦС.41-42.
  35. Кремлева Л.В. Математическое моделирование динамических процессов технологических систем в условиях нестабильного процесса резания//Вестник СПбО АИН.- СПб.:Изд-во Политехнического университета, 2004.-С.260-264.
  36. Кремлева Л.В., Шестаков К.Л. Программный комплекс разработки и анализа математических моделей динамических процессов в технологических системах//Св-во об отраслевой регистрации разработки № 5803. ОФАП, № гос.рег. 50200600322 от 16.03.06.
  37. Кремлева Л.В., Малыгин В.И. Компьютерное моделирование динамики многокоординатного фрезерования криволинейных протяженных поверхностей// Проблемы корабельного машиностроения Сборник докладов научн.-практ. конф. Выпуск 5.-  Северодвинск: РИО Севмашвтуза, 2007. - С.51-56.
  38. Кремлева Л.В. Программный комплекс разработки и анализа математических моделей динамических процессов в технологических системах/ Компьютерные учебные программы и инновации, 2007, № 3.- С.34-39
  39. Кремлева Л.В. ,Савченко М.С. Автоматизация проектирования сборных фрез// Вопросы технологии, эффективности производства и надежности. Сборник докладов, выпуск № 22, НТО судостроителей им. Акад. А.Н. Крылова. - Северодвинск, 2009. ЦС.162-166.
  40. Кремлева Л.В.,Добровольска Е.В.Применение твердотельного геометрического моделирования для решения прямой задачи профилирования дереворежущих фрез с винтовыми стружечными канавками// Вопросы технологии, эффективности производства и надежности. Сборник докладов, выпуск № 22, НТО судостроителей им. акад. А.Н. Крылова. - Северодвинск, 2009 . ЦС.144-148.
  41. Кремлева Л.В.,Чистякова О.Н.Оценка конструктивно-технологического уровня сборных дереворежущих фрез при их проектировании// Вопросы технологии, эффективности производства и надежности. Сборник докладов, выпуск № 22, НТО судостроителей им. акад. А.Н. Крылова. - Северодвинск, 2009.Ц С.136-143.
  42. Кремлева Л.В.,Чистякова О.Н. Определение показателей эксплуатационной надежности сборных дереворежущих фрез численными методами// Роль науки и образования в развитии производительных сил предприятий города Северодвинска (XXXVII Лом. чтения) - Северодвинск, архангельское отделение союза машиностростроителей , филиал Севмашвтуз СПбГМТУ, ГРЦАС, 2009. ЦС.145-148.
  43. Кремлева Л.В., Добровольская Е.В. Компьютерный метод проектирования дереворежущих фрез с винтовыми стружечными канавками// Роль науки и образования в развитии производительных сил предприятий города Северодвинска (XXXVII Лом. чтения) - Северодвинск, Архангельское отделение союза машиностроителей, филиал Севмашвтуз СПбГМТУ, ГРЦАС, 2009. ЦС.145-148.
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям