ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ

Анализ процесса резания различных обрабатываемых материалов показывает, что его параметры неодинаковым образом влияют на физико-химические явления, которые сопровождают обработку, и их интенсивность. Например, чтобы избежать наростообразования, необходимо увеличивать скорость реза­ния и передний угол инструмента при одновременном уменьшении подачи. В то же время для предотвращения вибраций в зоне резания целесообразно при повышенных значениях скорости резания и переднего угла увеличивать также подачу. Увеличение подачи приводит к увеличению высоты микронеровностей на обработанной поверхности и интен­сивному деформационному упрочнению поверхностного слоя детали. Высокая скорость резания является превалирующим фактором интенсивного тепло­образования на контактных поверхностях, что способствует разупрочнению обрабатываемого и инструментального материалов.

Назначение параметров резания должно находиться во взаимосвязи с их влиянием на работоспособность инструмента.

Оптимизация – это выбор такого варианта управления процессом резания, при котором достигается экстремальное значение критерия, характеризующего качество управления. Поиск оптимальных технических решений в технологии машиностроения затруднен в связи с низким уровнем формализации существующих методов проектирования технологических процессов и сложностью построения соответствующих математических моделей. Под основной целью технологического процесса или операции в машиностроении обычно понимается обеспечение заданных характеристик качества изделия наиболее производительным путем при минимальных затратах. В этом случае оптимальность технологического процесса можно определить как меру его соответствия поставленной цели. Чем эффективнее технологический процесс, тем выше его производительность и экономичность [3].

В задачах, встречающихся в условиях оптимизации технологического процесса, критерии оптимальности могут быть разными, однако все они должны удовлетворять определенным требованиям [1]:

- обладать достаточной полнотой описания объекта;

- иметь определенный физический смысл;

- быть количественными и выражаться однозначно некоторым числом;

- иметь простой математический вид;

- определяться с допустимой точностью.

В зависимости от вида и уровня задач оптимизации (расчет режимов резания, проектирование операции и технологического процесса или оценка работы предприятия в целом) основные используемые критерии оптимальности можно подразделить на следующие виды [2]:

- экономические – минимальная себестоимость, наибольшая прибыль, уровень рентабельности, наименьшие приведенные затраты (минимальные затраты на все виды энергии, на основные и вспомогательные материалы, на заработную плату и др.);

- технико-экономические – максимальная производительность, наименьшее время, максимальный коэффициент полезного действия оборудования и т.п.

Любой технологический процесс можно характеризовать тремя группами параметров:

1) искомые параметры X, которые обеспечивают наибольшую эффективность процесса по выбранному критерию в рамках конкретного варианта (элементы режима резания, межпереходные припуски и допуски, точность размерной настройки и т. д.);

2) фазовые параметры Y, которые являются функцией искомых параметров (например, сила резания, мощность, интенсивность изнашивания инструмента, параметр шероховатости поверхности и др.);

3) исходные параметры Z, неизменные при данном варианте технологического процесса (жесткость технологической системы, свойства материала обрабатываемой заготовки, свойства материала инструмента, форма и размеры обрабатываемой заготовки и т. д.).

Зависимость критерия оптимальности К_опт от исходных, искомых и фазовых параметров называется функцией цели:

К_опт = f_цел (Z, X, Y).

Чтобы использовать это уравнение для оптимизации, необходимо знать зависимость Y от  Z и Х, то есть математические модели процесса Y = f (Z, X).

При параметрической оптимизации решается обычно одна из следующих технико-экономических задач выбора параметров режима резания, обеспечивающих:

1) минимум затрат, связанных с процессом обработки;

2) максимум производительности;

3) минимум затрат при заданной производительности.

Наиболее общая задача характерна для условий обработки на уни­версальных станках.

В основе решения всех описанных оптимизационных задач лежит модель процесса резания, которая отражает зависимость стойкости Т режущего инструмента от параметров режима обработки. Наиболее часто применяемой является эмпирическая модель со следующей структурой [2],

где  – эмпирический параметр, постоянный для группы обрабатываемых материалов; – коэффициент, зависящий от свойств обрабатываемого материала и инструмента, а также других условий резания; D – диаметр (инструмента или заготовки); п – частота вращения (инструмента или заготовки); t – глубина резания; s – подача (на один зуб инструмента либо на один оборот);  z – число зубьев инструмента; b – ширина заготовки; т, х, у, и, r, q – эмпирические параметры (показатели степени), зависящие от вида обработки, свойств инструмента и условий резания.

Модели ограничений, связанных с требованиями к качеству обработанной лезвийным инструментом поверхности, имеют вид

,

где ,  и  – экспериментальные параметры модели, зависящие от способа обработки и обрабатываемого материала. Их значения, согласно справочникам, изменяются в широком диапазоне. Знак параметра зависит от области скоростей резания, которая ис­пользуется при данном способе обработки.

Ограничениями режимов резания по требуемой точности являются упругие деформации элементов технологической системы под действием сил резания. Они становятся особенно значимыми при относительно малой жесткости элементов технологической системы (заготовки инструмента), при существенной зависимости жесткости от координат точки обработки, при переменности силы резания, присущей данному способу формообразования или обусловленной переменностью припуска.

В общем случае модель ограничения по упругой деформации имеет вид

, где  – допустимая упругая деформация по оси Y; j – жесткость технологической системы. Сила резания Р_у  определяется известной из теории резания формулой (для точения и растачивания):

.

Технологические возможности оборудования ограничивают нижний и верхний уровни значений подачи  и частоты вращения п.

Кроме того, на большинстве станков п и s могут принимать только определенный набор дискретных значений.

При предварительной обработке режимы резания могут ограничиваться эффективной мощностью привода, прочностью механизмов станка, прочностью инструмента (пластины твердого сплава), а также надежностью закрепления заготовки в приспособлении. Со­ответствующие модели приведены в справочной литературе.

Каждое из технических ограничений выделяет на плоскости координат область допустимых значений параметров режима резания. Совокупность технических ограничений образует на плоскости замкнутую область, любая точка внутри которой характеризует допустимое сочетание скорости и подачи. При линейном программировании все ограничения принимают форму отрезков прямых.

Порядок расчета оптимальных значений параметров режима резания для сверления, зенкерования и фрезерования такой же, как при точении. Различаются только структура и параметры моделей ограничений и формул для расчета скорости резания. При оптимизации необходимо проводить расчеты с учетом нескольких ограничений.

Довольно часто имеют место случаи, когда выполнение инструментального перехода осуществляется при изменяющейся скорости резания (например, при точении или растачивании ступенчатой заготовки либо конуса с постоянной частотой вращения).

Таким образом, при предварительной обработке, когда ограничением является мощность привода главного движения, необходимо по мере затупления инструмента уменьшать подачу и скорость резания. Если ограничением является прочность инструмента, то по мepe затупления необходимо уменьшать подачу. При чистовой обработке, когда ограничением является заданное значение параметра Ra шероховатости, по мере затупления инструмента необходимо уменьшать подачу и (или) увеличивать ско­рость резания.

Исследования показали, что отказ инструмента, возникающий в связи с достижением предельного износа в результате выкрашивания, скалывания или разрушения режущей пластины, подчиняется закону Вейбулла. Параметры этого распределения существенно изменяются от переточки к переточке. Так, средняя стойкость переточенного инструмента может различаться в пределах двух раз. Средняя стойкость максимальна после первой или, реже, после второй переточки. Число переточек, которое допускает инструмент, зависит от его прочности и нагрузки во время работы и при предварительной обработке обычно в 2...8 раз меньше, чем расчетное, допускаемое размером стачивания. Таким образом, каждый инструмент имеет свое индивидуальное значение параметра С_v и, следовательно, свою индивидуальную, оптимальную по экономическому критерию скорость n_{опт э} резания.

Установлено: 1) скорость изнашивания определяется в основном температурой на передней и задней поверхностях режущего клина; 2) для каждого сочетания материалов заготовки и инструмента при работе на любой подаче существует скорость резания, которой соответствует минимальная скорость изнашивания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Форма области допустимых техническими ограничениями значений оптимизируемых параметров режима резания зависит от вида и конкретных условий обработки.

В основе решения всех описанных оптимизационных задач лежит модель процесса резания, которая отражает зависимость стойкости режущего инструмента от параметров режима обработки.

Оптимальная коррекция параметров режима резания с учетом последствий затупления инструмента и разброса параметров его качества возможна только с помощью автоматизированной системы управления (АСУ), в которую поступает по каналам обратной связи информация из зоны резания.

Список литературы:

1. Акулович Л.М., Шелест В.К.  Основы автоматизированного проектирования технологических процессов в машиностроении: учеб. пособие. – Мн: Новое знание, 2012. – 499 с.
2. Махаринский Е.И., Горохов В.А. Основы технологии машиностроения: Учебник. –  Мн: Высш. шк.,1997. – 423 с.
3. Старков В.К. Физика и оптимизация резания материалов. – М.: Машиностроение, 2009. – 640 с.