Оптимизация процесса механической обработки и управление режимными параметрами
Покупка
Автор:
Грубый Сергей Витальевич
Год издания: 2014
Кол-во страниц: 149
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-7038-3935-5
Артикул: 602205.02.99
Доступ онлайн
В корзину
Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса резания и изнашивания инструментов. Проведено математическое моделирование процесса и дана методика многофакторной аппроксимации полиномиальными уравнениями экспериментальных зависимостей резания металлов. Выполнен анализ методов и рассмотрены типовые задачи оптимизации режимных параметров. Разработаны математические основы оптимизации и управления режимными параметрами механической обработки с использованием уравнений скорости изнашивания инструментов.
Для магистрантов, аспирантов и докторантов, обучающихся по научной специальности 05.02.07 "Технология и оборудование механической и физико-технической обработки", а также научных работников, занимающихся научными исследованиями в области механической обработки.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Магистратура
- 15.04.04: Автоматизация технологических процессов и производств
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
С.В. Грубый Оптимизация процесса механической обработки и управление режимными параметрами
ISBN 978-5-7038-3935-5 УДК 621.9.014 ББК 34.688 Г90 Рецензенты: д-р техн. наук, старший научный сотрудник Университета Штутгарта М. Г. Сторчак; д-р техн. наук, профессор Воронежского государственного технического университета Г.А. Сухочев Грубый, С. В. Оптимизация процесса механической обработки и управление режимными параметрами / С. В. Грубый. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — 149, [3] с. : ил. ISBN 978-5-7038-3935-5 Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса резания и изнашивания инструментов. Проведено математическое моделирование процесса и дана методика многофакторной аппроксимации полиномиальными уравнениями экспериментальных зависимостей резания металлов. Выполнен анализ методов и рассмотрены типовые задачи оптимизации режимных параметров. Разработаны математические основы оптимизации и управления режимными параметрами механической обработки с использованием уравнений скорости изнашивания инструментов. Для магистрантов, аспирантов и докторантов, обучающихся по научной специальности 05.02.07 «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки», а также научных работников, занимающихся научными исследованиями в области механической обработки. УДК 621.9.014 ББК 34.688 Грубый С.В., 2014 Оформление. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 Г90
1.1. Система резания и анализ процесса механической обработки 3 ПРЕДИСЛОВИЕ Отличительной особенностью современного этапа развития машиностроительных производств является необходимость широкого применения так называемых высоких технологий. В основе этих технологий, по крайней мере в краткосрочной и среднесрочной перспективе, будут находиться процессы механической обработки. Механическая обработка резанием включает широко применяемые виды обработки: точение, растачивание, сверление, фрезерование, протягивание, шлифование и др. В свою очередь, технологический режим является основной характеристикой операции механической обработки и определяет совокупность параметров технологического процесса в заданном интервале време- ни. Монография посвящена вопросам расчета, оптимизации ме- ханической обработки и управления режимными параметрами процесса. Понятие оптимума (от лат. optimum — наилучшее) включает совокупность наиболее благоприятных условий. Оптимизация — это процесс выбора наилучшего варианта решения задачи из сово- купности возможных вариантов, или путь достижения цели при данных условиях и ресурсах, или процесс приведения системы в наилучшее состояние. Техническая оптимизационная задача, как правило, является экономико-математической, содержащей количественные критерии оптимальности и ограничения, выра- женные математическими уравнениями в той или иной форме. Ре- зультатом решения задачи служат оптимальные значения режим- ных параметров, обеспечивающие повышение эффективности операций механической обработки. Математические уравнения разрабатывают путем теоретического или экспериментального мо- делирования. Сущность моделирования заключается в замене исходного объекта или процесса его «образом» — моделью. Математическое моделирование является составной частью общей методологии моделирования и предусматривает разработку модели в виде сово- купности математических уравнений и ее анализ с помощью реа- лизуемых на компьютерах вычислительно-логических алгоритмов. При практической реализации математического моделирования
Предисловие выделяют три основных этапа: моделирование; построение алго- ритма; программирование. На первом этапе разрабатывают соб- ственно модель, отражающую в математической форме важней- шие свойства объекта или процесса. Применительно к обработке резанием к таким свойствам следует отнести характеристики ре- жущего инструмента (геометрические, физико-механические), процесса (механические, теплофизические, экономические), заго- товки и др. На этапе разработки алгоритма модель представляют в форме, удобной для применения вычислительных и логических операций, имея конечной целью получение искомых результатов с заданной точностью. Программирование предусматривает перевод модели в ее электронный эквивалент, пригодный для непосред- ственного изучения на компьютере путем так называемого вычис- лительного эксперимента. В монографии проведено математическое моделирование про- цесса механической обработки и представлена методика много- факторной аппроксимации полиномиальными уравнениями экспе- риментальных зависимостей резания металлов. Выполнен анализ методов и рассмотрены типовые задачи оптимизации режимных параметров. Разработаны математические основы оптимизации процесса механической обработки и управления режимными па- раметрами с использованием уравнений скорости изнашивания инструментов. Автор монографии занимается вопросами математического и физического моделирования и оптимизации процессов механиче- ской обработки, а также управления режимными параметрами. С учетом исследований, проведенных в МГТУ им. Н.Э. Баумана, им подготовлен учебный курс «Оптимизация механической обра- ботки» для студентов, специализирующихся по кафедре «Инстру- ментальная техника и технологии». Монография дополняет и рас- ширяет опубликованные ранее работы автора в этой предметной области, например [1–3], и будет полезна магистрантам, аспиран- там, докторантам и научным сотрудникам, занимающимся науч- ными исследованиями в области механической обработки.
1.1. Система резания и анализ процесса механической обработки 5 1. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ 1.1. СИСТЕМА РЕЗАНИЯ И АНАЛИЗ ПРОЦЕССА МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ Система резания имеет сложную структуру, характеризую- щуюся взаимодействием большого числа сильнодействующих факторов. Поэтому ее можно в полной мере считать техниче- ской системой и применять к ней методы и алгоритмы систем- ного подхода. Техническая система — это совокупность взаимосвязанных элементов, представляющих единое целое и действующих в рам- ках более сложной системы, в которую эта совокупность входит. Это определение носит обобщенный характер и применимо, например, к системе резания. Технической системой также можно считать любой преобра- зователь входных данных в выходные, например, процесс реше- ния задачи по оптимизации режимных параметров механической обработки. С оптимизационной задачей связан определенный набор исход- ных данных, которые подразделяют на параметры и переменные. Параметры (геометрические размеры заготовки и инструмента, свойства обрабатываемого и инструментального материалов) можно считать постоянными в процессе резания. Переменные (например, припуск по переходам, угол в плане инструмента при обработке сферической поверхности) могут изменять свои значения. С этой точки зрения выходные (расчетные) значения режимных парамет- ров можно трактовать как переменные, если учтено влияние изме- няющихся условий обработки (например, такого существенного фактора, как износ инструмента). Различие между параметрами и переменными условно, а их совокупность определяет количественную информацию о си- стеме. Другая часть информации является качественной и опре-
1. Математическое моделирование процесса механической обработки деляет структуру системы. Таким образом, оптимизацию обра- ботки резанием можно подразделить на структурную и пара- метрическую. Структурная оптимизация обеспечивает оптимальный вы- бор оборудования, оснастки, приспособлений, инструментов, по- следовательности переходов и проходов. Критерием такой опти- мизации может быть количественная переменная, например штуч- ное время обработки деталей на операции. Параметрическая оптимизация обеспечивает оптимальные значения режимных (управляемых) параметров (переменных) и с организационной точки зрения подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя параметрическая оптимизация реализу- ется в адаптивных системах управления с обратной связью, когда режимные параметры корректируются в реальном времени на основе диагностики процесса резания и изнашивания инструмен- та. При внешней параметрической оптимизации, используя си- стемный подход и математическое моделирование как методоло- гию, расчетным путем определяют оптимальные значения ре- жимных параметров, реализуемые через систему управления станком, и обеспечивают соблюдение выбранного количествен- ного критерия. Таким образом, системный анализ в рассматриваемой пред- метной области есть методология формализации и решения опти- мизационных задач, в частности, задач расчета режимных пара- метров лезвийной обработки. Системный анализ позволяет обоб- щить приемы и методики решения этих задач и разделить его на следующие этапы: 1) выделение процесса резания на операции из общей техно- логической системы; 2) разработка математической модели процесса и ее анализ; 3) математическая формулировка цели, критериев оптимиза- ции и ограничений; 4) алгоритмизация, программирование, расчет; 5) обобщение результатов, реализация обработки заготовки на расчетных режимных параметрах, если цель достигнута, или декомпозиция системы и возврат к началу анализа в противном случае.
1.2. Математические модели и уравнения 7 1.2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И УРАВНЕНИЯ Математическое моделирование занимает одно из центральных мест в системном анализе. По иерархическому признаку различают модели макроуровня (описывают технологический процесс в це- лом) и микроуровня (отражают физические закономерности резания и взаимосвязь показателей на отдельной операции или переходе). По способу представления процесса резания или инструмента как объекта исследования модели можно подразделить на аналитиче- ские, алгоритмические, имитационные, а по способу получения — на теоретические и эмпирические. Аналитические математические модели представляют со- бой знакосимвольные выражения, отражающие связь выходных переменных с входными и написанные общепринятым языком математических формул. К ним, в частности, относят регресси- онные и корреляционные модели, построение и анализ которых изучаются в курсах теории вероятностей, математической ста- тистики, основ научных исследований. Аналитические модели анализируют известными математическими методами, среди которых — методы математического программирования, направленные на поиск оптимума целевой функции с учетом действующих ограничений. Алгоритмические математические модели описывают изучае- мый процесс в виде алгоритма. Имитационное моделирование основано на прямом описании процесса и создании структурного по- добия объекта — модели. Процесс, протекающий в модели в ходе имитационного эксперимента, подобен реальному процессу. Теоре- тические модели создают в результате исследования процесса на теоретическом уровне, используя известные физические законы. Эм- пирические модели отражают результаты лабораторных или произ- водственных экспериментов и наблюдений. Детерминированные математические модели описывают про- цесс резания с позиции полной определенности и однозначности условий в настоящем и будущем. Вероятностные (стохастические) модели учитывают влияние случайных факторов (например, разброса поверхностной твердости заготовок в партии, колебаний припуска и др.) на выходные переменные процесса резания. По математической структуре различают модели линейные, когда выходной сигнал системы пропорционален входному, и нелинейные, реагирующие на входной сигнал по более сложному закону.
1. Математическое моделирование процесса механической обработки Стационарные модели имеют постоянные значения параметров и отражают свойство процесса оставаться неизменным во времени. Нестационарные (неавтономные) модели, в частности, описывают процессы старения. Характерным примером является процесс старения — изнашивания режущего инструмента, так как скорость изнашивания изменяется за время его работы. Для описания закономерностей процесса резания используют аналитические математические модели в виде степенных, показательно- степенных и полиномиальных уравнений. Степенные уравнения традиционно применяют для расчета скорости резания v, м/мин; силы P, H; крутящего момента М, Н·м; шероховатости обработанной поверхности Ra, Rz, мкм; мощности N, кВт. В этих уравнениях переменные измеряются в натуральных величинах ( мин, мм, м/мин); буквой С с различными индексами обозначены соответствующие постоянные; буквой K — поправочные коэффициенты; показатели степени m, x, y, n, k с различными индексами в общем случае представляют собой дробные числа. Приведем примеры этих уравнений для различных видов механической обработки резанием. Точение (скорость резания, тангенциальная составляющая силы, радиальная составляющая силы, шероховатость): 1 4 3 2 3 ; ; (90 γ) 60 ; , p p p v v v py py py x y p p v v z n m x y x y k k k py py y R n k k C t s K C K v P T t s v C t s K s P Ra C r v v (1.1) здесь Т — стойкость инструмента, мин; t — глубина резания, мм; s — подача, мм/об; r — радиус при вершине резца, мм; γ — передний угол, град. Сверление (скорость резания, осевая составляющая силы, крутящий момент, шероховатость): o ; ; ; , v p p v v m m R R R m q q y v v p p m y q y m m q y n R n C d K v P C d s K T s C d s K M Ra C d s v v (1.2) здесь d — диаметр сверла, мм.
1.2. Математические модели и уравнения 9 Зенкерование, развертывание (скорость резания, шероховатость): ; , v R R R v v v q v v q y n R y m x C d K v Ra C d s v T t s (1.3) здесь d — диаметр инструмента, мм; t — глубина резания, мм. Фрезерование (скорость резания, тангенциальная составляющая силы, шероховатость): ; ; , v v v v v v p p p p R p p R q v v m x y u p z x y u p y p z p R z z q w q C d K v T t s B z C t s B z K C s P Ra d d n (1.4) здесь d — диаметр фрезы, мм; z — число зубьев фрезы; В — ширина фрезерования, мм; sz — подача на зуб, мм; n — частота вращения шпинделя, мин–1. Резьбонарезание метчиком, плашкой (скорость резания, крутящий момент): ; , qv m m v v v v q y m m m y C d K v M C d p K T p (1.5) здесь d — диаметр инструмента, мм; p — шаг нарезаемой резьбы, мм. Резьбонарезание резцом (скорость резания, тангенциальная составляющая силы): ; , v v v v p y x p p v v z m y x C p K C i K v P T p i (1.6) здесь i — число проходов. Зубофрезерование червячными фрезами (скорость резания, мощность): 3 ; 10 , n n n v v v v v y x q n n n m y x n C K v N C s m d vK T s m (1.7) здесь s — подача фрезы на оборот заготовки, мм/об; mn — нормальный модуль, мм; d — диаметр фрезы, мм.
1. Математическое моделирование процесса механической обработки Круглое наружное шлифование абразивным кругом (скорость вращения заготовки, мощность резания, тангенциальная составляющая силы, шероховатость обработанной поверхности): к 0,5 0,5 0,5 0,5 з 1 к ; ; ; 2 , 60 v v v n n n n v v v p p p R n q p u v x y n q n m x y x y n z p m R C v D d H v N C t s v d T t s P C t s v v t s Ra C d m v d H (1.8) здесь vк — скорость круга, м/с; D, H — диаметр и ширина круга, мм; d — диаметр детали, мм; t — глубина шлифования, мм/ход; s — продольная подача, мм/об; dз — диаметр абразивного зерна, мм; m1 — число выхаживающих двойных ходов. Для аппроксимации зависимостей резания металлов, имеющих ярко выраженный нелинейный или экстремальный характер, Г.И. Грановский предложил использовать показательно-степенные уравнения. Применив его методику аппроксимации, автор монографии получил уравнение стойкости для условий точения резцами из безвольфрамового твердого сплава КНТ16 заготовок из стали 60 [1]: 2 1 1 2 1 1 ( ) , e (1,5 ) v b T T b c t c s z m z C s K T v t h (1.9) где Т — стойкость резца, мин; hz — износ , мм; KT — поправочный коэффициент, отражающий влияние формы режущей пластины и смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ); e — основание нату- рального логарифма. Полиномиальные уравнения применяют для обработки ре- зультатов экспериментов при проведении опытов по многофак- торной схеме, а также для обработки больших массивов исход- ных данных.
Доступ онлайн
В корзину