CC BY
40
НАДЕЖНОСТЬ МАШИН
УДК 621.68
Л.Я. Кожуховская, Р.А. Лаврентьев
МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ И ВЫБОРА СТРУКТУР ОПЕРАЦИЙ ОБРАБОТКИ ТОЧНЫХ ОТВЕРСТИЙ МНОГОЛЕЗВИЙНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ В УСЛОВИЯХ МНОГОНОМЕНКЛАТУРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Отражены основные научно обоснованные принципы совершенствования методик формирования и выбора структур операций обработки точных отверстий диаметром 20-35 мм и их систем в условиях многономенклатурного производства. Раскрыты механизмы и закономерности формирования и выбора структур операций. Дана характеристика метода получения показателей оценки точности и эффективности операций, а также использования их в качестве критериев при принятии решений.
L.Y. Kozhukhovskaya, R.A. Lavrentiev
THE METHODS OF FORMING AND PRECISE HOLES MACHINING OPERATIONS STRUCTURE CHOICE WITH MULTI-BLADE CUTTING TOOLS UNDER MULTI-NOMENCLATURE PRODUCTION CONDITIONS
The basic principles and scientifically approach to improvement of forming and choosing precise holes of diameters of 20-35mm machining operations in multi-nomenclature production conditions are explained in the article, the method’s characteristic of deriving the precision and efficiency factors and criteria is given, the program support and index usage in solutions are provided.
В современном машиностроении стоит важная задача повышения его эффективности в условиях неполной определенности рыночных отношений. Большинство машиностроительных предприятий работают в условиях мелкосерийного многономенклатурного производства (МНП) в условиях конкуренции и к изделиям предъявляются высокие требования по качеству, срокам и стоимости изготовления. Анализ особенностей МНП, выполненный на ряде машиностроительных предприятий, показал, что условия их работы характеризуются неопределенностью - это обусловлено тем, что номенклатура деталей не является постоянной по объему в различные периоды времени в связи с изменением спроса на продукцию. Анализ конструкторско-технологических характеристик деталей и номенклатуры показал, что в общей номенклатуре корпусные детали, имеющие отверстия диаметром 20-35 мм 6-7-го квалитетов точности, составляют свыше 40%. При этом трудоемкость достижения точности обработки базирующих поверхностей и систем отверстий составляет свыше 70% от общей трудоемкости изготовления деталей.
Это указывает на необходимость анализа факторов образования погрешностей в деталях этого типа. Анализ показал, что при обработке систем отверстий в 85% применяется осевой лезвийный инструмент и актуальной является проблема достижения точности обработки систем отверстий. Статистический анализ показателей точности отверстий показал, что отклонение от ци-линдричности превышает пределы поля допуска у 10 % деталей; погрешность расположения оси - 18%, по погрешности диаметрального размера 15% деталей выходят за поле допуска. Волнистость, которая оказывает значительное влияние на жесткость контакта и герметичность соединений, превышает поле допуска на размер на 18%. Это требует совершенствования методик проектирования операций обработки отверстий с учетом условий МНП.
Выполненный анализ методов проектирования операций показал, что в них не в полной мере учитываются неопределенность МНП и изменение внутренних и внешних условий работы предприятия. В большей степени обеспечивает раскрытие неопределенности метод, основанный на методологии ситуационного проектирования ТП [2, 3]. В методологии ситуационного проектирования представляется возможным отразить изменение условий на этапах проектирования и производства. С целью выявления влияния факторов, определяющих достижение точности обработки, выполнен анализ различных схем, маршрутов обработки систем отверстий диаметром до 35 мм и их выбора при изменении конструкторско-технологических характеристик деталей. Комплексный анализ показателей эффективности -точности, производительности, технологической себестоимости - показал необходимость поиска путей повышения показателей на этапах проектирования и производства, использования их при формировании и выборе структур операций обработки систем отверстий.
Анализ условий и схем обработки систем отверстий корпусных деталей в мелкосерийном производстве показал, что они в значительной степени влияют на показатели точности, по результатам этого анализа следует отметить, что обработка систем точных отверстий на станках типа обрабатывающий центр и станках с ЧПУ обычно выполняется без направляющих втулок, в большинстве случаев используются одноместные одноинструментные последовательные схемы обработки. Точность обработки изменяется в широких пределах и зависит от схемы обработки, выбранного оборудования, режимов обработки и инструмента.
Создание методики формирования и выбора структур операций обработки систем отверстий основано на результатах исследования взаимосвязи конструкторско-технологических характеристик деталей и структур операций. Это требует системного анализа различных факторов и их влияния на показатели точности отверстий и схем образования погрешностей отверстий, исследований закономерностей образования погрешностей диаметрального размера, смещения оси и волнистости поверхности.
Процесс формирования структур операций рассматривается как процесс взаимодействия элементов детали {Д}, технологической системы {ТС} и структуры операции |8оп} в условиях неопределенности, раскрытие которой обеспечивается с помощью критериев, полученных аналитическими и экспериментальными путями. Определение области рациональных технологических решений в условиях МНП потребовало анализа ситуаций, условий проектирования и факторов, вызванных изменением во внутренней и внешней среде. Под изменением ситуаций понимаются: изменение требований к деталям, плановых сроков, программы выпуска и номенклатуры изделий, периодичности заказов, изменение состава, состояния оборудования и его технологических возможностей. Анализ факторов, определяющих условия формирования структур операций, обусловленных конструкторско-технологическими характеристиками деталей и технологическими возможностями станков, позволяет представить их в виде множеств. Пересечение множеств отражает область принятия рационального решения при формировании и выборе структуры операции и выражается коэффициентом принадлежности д. Рациональная область представляет собой пересечение множеств конструкторско-технологических характеристик деталей {Д}, характеристик оборудования, оснастки и инструмента {ТС}, структур операций {Боп}:
л = {Д} П {ТС} П^„}, (1)
где {Д} - множество конструкторско-технологических признаков деталей; {ТС} - множество структур технологических систем; {Боп} - множество структур операций. Поиск структуры операции обработки отверстия производится по функции принадлежности каждого из множеств {Д}, {ТС}, {Боп} области рациональных решений.
При принятии технологического решения по формированию и выбору структуры операций происходит пошаговая оценка структур и их выбор с последовательным использованием критериев. В качестве общесистемных критериев используются показатели: точности Т, производительности Q, технологических затрат С. Критерий точности включает в себя: точность положения координат осей отверстий, отклонение от цилиндричности и волнистость поверхности. Показатель технологических затрат включает стоимость заготовки, оснастки, инструментов, оборудования, затраты на автоматизацию технологического процесса (ТП) и переналадку технологической системы (ТС). Показатель производительности отражает режимы резания, степень автоматизации ТП и оценивается показателем штучнокалькуляционного времени Тш-к. В работе главным критерием выбран критерий точности.
Рис. 1. Модель формирования и выбора структур операций обработки отверстий
Выявление и установление связей между элементами множеств модели (рис. 1) потребовало матричного представления этих связей, что позволило выявить и раскрыть все возможные варианты связей между элементами множеств. Для этого наиболее удобно использовать операции перемножения матриц. Это позволяет осуществить перебор всех возможных вариантов структур, их сравнение и выбор.
а1 Ъ С11 С12 С1п
а2 Ъ2 = С21 2 2 С С2п , (2)
ап Ъп Ст1 2 т С Стп тп
где {а^а2,.. ,,ап} - элементы множества деталей, характеризующее различные конструкторско-технологические признаки деталей; {Ъ1, Ь2,..., Ъп} - элементы множества, характеризующие структуры ТС; {с1,с2,.,сп} - элементы множества структур операций.
Разработана модель, которая обеспечивает возможность учитывать закономерности и взаимосвязь факторов, определяющих эффективность на различных этапах технологического процесса (рис. 1). Модель позволяет управлять структурами на этапе проектирования и производства; определенная область рациональных решений может регулироваться на этапе проектирования структурами операций и быть использована для управления точностью путем изменения режимов и схем обработки.
С целью исследования факторов, определяющих построение и выбор структуры операций, выполнен системный анализ условий и факторов, определяющих формирование ТП обработки отверстий. Исследованы погрешности, возникающие при сверлении, зенкерова-нии и развертывании при жестком и плавающем закреплении инструментов. Режимы при развертывании: подача 0,1-0,2 мм/об, скорость резания 8-12 м/мин, глубина резания
0,1-0,3 мм, отношение длины инструмента к диаметру 8-12, при диаметре обработки порядка 25-30 мм. Установлено влияние предыдущих этапов обработки на последующие и выявлены законы распределения погрешностей. Определены математические ожидания и дисперсии высоты волнистости и смещения координаты отверстия.
На основе установленных связей между факторами и показателями точности отверстий (смещением входной координаты отверстия и волнистостью) разработаны математические модели образования погрешностей. Получены зависимости координаты положения оси отверстия, неподвижного и вращающегося векторов сил, действующих в ТС, уравнение движения центра развертки в полярной системе координат, уравнение радиуса-вектора центра развертки при образовании волнистости под влиянием суммарной силы резания:
P =V PH 2 + Р2 в + Р2 СП , (3)
где Рн - неподвижная сила, вызванная погрешностью установки; Рв - вращающийся вектор, вызванный биением режущих кромок инструмента; Рсл - случайный вектор сил.
Постоянно направленная, неподвижная сила определена по формуле:
Рн = cp-z-I-e-k , (4)
где ср - коэффициент резания; z - число зубьев инструмента; I - жесткость инструмента; е - несовпадение оси отверстия с осью инструмента.
Координаты оси отверстия определяются зависимостью:
х = 2I • e • sin ф • (CP • z + 21 • sin ф) • k22; (5)
y = 2Ct • z • I • e • sin ф • k22; (6)
k2 = , 1 2 . (7)
■\l(CPz + 21 sin ф) + Ct2z2
Расчетно-аналитическим путем получено уравнение вращающегося вектора сил:
(e - a) ± Va2 + e(2a - e) [(a + t(z -1))2. ± r T r , Cp (8)
Pb =
V1 + [tg (a + T(z -1))
где a - радиальное биение инструмента; a - текущий угол поворота инструмента; I - число зубьев инструмента; т - центральный угол между зубьями инструмента по окружности; ги, го - радиус инструмента и отверстия соответственно; ф - угол заборного конуса.
Полученное расчетно-аналитическим путем уравнение траектории движения центра развертки в полярной системе координат учитывает изменение соотношения радиальной и тангенциальной сил:
^(ф) = R • exp {sin [5 + у] - sin [2(1 + h) ф + 5 + у]} , (9 )
где h и у - параметры, характеризующие погрешность углового шага разверток; 5 - угол между радиусом инструмента и результирующей силой резания (учитывает соотношение радиальной и тангенциальной составляющих); ф - текущий угол поворота инструмента.
Для выявления связей между погрешностью установки детали, погрешностью инструмента как части ТС, схемой обработки и этапом обработки был выполнена серия численных машинных экспериментов. Путем имитационного моделирования процесса обработки получены траектории движения инструмента при образовании волнистости (рис. 2). Получе-
ны регрессионные уравнения связи факторов, отраженных в плане эксперимента, и показателей точности. Показатели точности, полученные путем численного эксперимента, используются в качестве критериев при выборе структур операций.
^ ■’ - ■: ■*-&$)■ ' ■ ' ' 90 Г • .
-90^^ Число точек 15000 -90 ‘ - [ ■ • ■ .4.''. ’
Рис. 2. Траектория движения инструмента при образовании волнистости (имитационное моделирование)
С целью учета влияния на точность обработки режимов резания и жесткости режущего инструмента как элемента ТС, исследован процесс обработки развертыванием и поставлен активный лабораторный эксперимент по плану 23. Первая серия эксперимента позволила выявить закономерности возникновения сил, действующих в ТС, исследовать влияние факторов на возникновение сил и получить рекомендации по выбору структурно-параметрических характеристик операций, схем и режимов обработки. Вторая серия экспериментов была выполнена для получения уравнения связей между вышеназванными факторами и показателями точности - смещением координаты оси и волнистостью отверстий. В результате эксперимента получены уравнения связи - полиномы 2-го порядка, отражающие качественные и количественные связи между схемами обработки, погрешностью установки, режимами обработки и показателями точности. Полученные уравнения связи позволяют определить допустимые изменения сил в ТС при обработке, что используется в ситуационной модели при выборе схем и режимов обработки. Приведем эти уравнения:
Уравнение регрессии для смещения входной координаты отверстия относительно оси отверстия:
У = 30,2 + 6,53x1 + 3,39х2 + 7,4х3 — 4,3x1 х2 + 10,16х12 +3,32х22 +3,38х32 . (10)
Уравнение регрессии для силы, неподвижной и вызванной погрешностью установки инструмента:
У = 197,5 + 12,33x1 + 15,98х2 + 32,5х1х3 — 7,5х1х3 + 17,5х2х3 — 15,08х12 — 31,97х32 , (11)
где XI, х2, х3 — факторы плана эксперимента.
В результате были получены показатели точности обработки отверстий и их систем, которые используются в методике формирования и выбора структур операций. Методика формирования и выбора структур операций включает в себя последовательность действий: анализ внешних и внутренних условий: программы выпуска, номенклатуры, требований точности, наличия и состояния парка оборудования; синтез базовой структуры операции; выделение системы критериев при использовании весовых коэффициентов; техникоэкономический анализ базовой структуры; определение допустимых областей путем получения показателей точности и производительности и их использования в качестве критериев; принятие решения об использовании структуры в производственных условиях.
На первом этапе анализируется вся входящая информация: номенклатура и типы деталей, допустимая себестоимость, квалитеты точности, требования к качеству поверхностей отверстий. Далее выполняется анализ возможностей оборудования по точности и производи-
тельности, анализ типовых ТП и схем обработки. Для этого используется информационная база данных, которая содержит информацию о множествах деталей, рациональных структурах ТП, схемах обработки и т.д. Информационная база построена по модульному принципу и содержит модули массивов данных о деталях, типах заготовок, типовых структурах операций, оборудовании, статистические данные и расчетные модели. В блоке формирования и использования критериев качества и эффективности принятия решений разработан модуль расчета показателей точности, который позволяет учитывать особенности образования погрешностей для обработки отверстий в деталях различного типа.
Разработанная методика позволяет повышать эффективность принятия решений при формировании и выборе структур операций обработки систем отверстий, обеспечивает его информационную поддержку и создает предпосылки для эффективного управления технологическими структурами на этапе производства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бочкарев П.Ю. Проектирование маршрутов многономенклатурных технологических процессов механообработки / П.Ю. Бочкарев. Саратов: СГТУ, 1996. 104 с.
2. Кожуховская Л.Я. Совершенствование методологии формирования и выбора структур технологических процессов в условиях многономенклатурных производств / Л.Я. Кожуховская // Исследование станков и инструментов для обработки точных и сложных поверхностей: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2000. С. 55-59.
3. Ситуационное управление технологическими структурами на этапах проектирования и производства / Л.Я. Кожуховская, Б.М. Бржозовский, М.Б. Бровкова, Н.П. Павлова. Саратов: СГТУ, 2005. 106 с.
Кожуховская Людмила Яковлевна —
доктор технических наук,
профессор кафедры «Проектирование технических и технологических комплексов» Саратовского государственного технического университета
Лаврентьев Руслан Александрович —
ассистент кафедры «Технология и автоматизация машиностроения»
Балаковского института техники, технологии и управления Саратовского государственного технического университета
Статья поступила в редакцию 22.09.06, принята к опубликованию 10.10.06
