2.4. Концептуальные положения системного подхода к процессам резания

Применения системных представлений для анализа сложных объектов и процессов рассматривают системные направления, включающие в себя: сис­темный подход, системные исследования и системный анализ. Толкование этих терминов не однозначно, а границы областей не установлены.

Системный анализ более развит применительно к проблемам управления и планирования. С системными исследованиями обычно связывают системные направления в конструктивных поисках определения класса систем, введения понятия структуры системы, правил ее формирования и т.д.

Рассмотрим конструкцию системных представлений о процессе шлифования. Её основу составляет теория систем, но нашему мнению /23/, необходимы дополнения в систематизации объектов со следующим пакетом принципов:

1) процесс шлифования - большая техническая система (TS) со всеми ее атрибутами;

2) используемое оборудование с инструментом, технологической средой и другими материальными потоками в совокупности с энергетической и информационной подсистемами представляют собой активное рабочее пространство (АРП), в котором осуществляют формообразование детали;

3) направленное воздействие подсистем в АРП осуществляют, используя многофункциональность комбинированного сочетания необходимых свойств (МКС) объектов подсистем;

4) управление состояниями объектов и их взаимосвязями осуществляют ступенчато;

5) процесс резания представляет собой иерархическую структуру с пятью основными уровнями дискретности резания (1,2,3,4,5) УДР;

6) принцип целенаправленности и единства взаимосвязей в АРП его объектов, которые объединены в виде основных подсистем, а именно, TS деталь (Дм) - TS инструмент (Ин) - TS функционально-технологическая среда (ФТС), составляющих основную, сложную подсистему процесса резания в виде TS ДИС.

Уровни дискретности резания процессов контактного абразивного взаимодействия (КНВ). Основой абразивной обработки являются процессы силового контактного взаимодействия инструмента и детали. Эти процессы можно оценивать, используя схему (принцип) воздействия абразивной поверхности инструмента на деталь. Мы называли его принципом дискретности резания /26,30/. Согласно ему, все процессы абразивного взаимодействия можно систематизировать по уровням дискретности резания (УДР). Каждый УДР можно выразить через количество режущих абразивных зерен (единичных режущих контуров ЕРЭ), совокупность которых определяет схему контактного взаимодействия за некоторый промежуток времени. Им может быть время, соответствующее одному обороту шлифовального круга, или время контактного взаимодействия, например, ДИ (В)/SД, где ДИ - диаметр, В - ширина алмазоносного слоя; SД - скорость движения детали.

Первый (1 УДР) - воздействие единичным зерном, например, микрорезание.

Второму уровню (2 УДР) отвечают условия обработки, присущие шлифованию непрерывным (сплошным) замкнутым абразивосодержащим рабочим слоем. Это традиционное или обычное шлифование (ОШ).

К третьему уровню (3 УДР) относится техническая система абразивного воздействия инструментом на деталь с применением абразивных блочных элементов, всевозможным образом чередующихся между собой, имеющих разные конфигурации и отделенных друг от друга безабразивным пространством (пазами). Это, так называемое, прерывистое шлифование (ПШ).

Четвертый уровень резания (4 УДР) достигается сочетанием в инструменте нескольких замкнутых абразивных контуров, взаимосвязанных между собой посредством упругих оснований, функционирующих по определенным законам, и позволяющий осуществлять аддитивно-адаптивный съем припуска.

Пятый уровень дискретности резания (5 УДР) - это перспектива развития конструкций инструментов. Он предполагает совокупность аддитивно-адаптивного съема припуска материала детали с направленным воздействием определенных участков инструмента на поверхность детали. Для этого необходимо иметь абразивосодержащий рабочий контур с определенным образом спрофилированной макротопологией поверхности и управляемой позонно.

Запишем в символах виды уровней дискретности резания. Для этого введем следующие обозначения. Ширина алмазоносного слоя рабочей поверхности шлифовального инструмента формы ЧК - это l2. Если рабочая поверхность состоит из чередующихся по окружности выступов и впадин, то протяженность выступа l1, протяженность паза l3. Единичный режущий контур в составе одного алмазного зерна с микрообъемом связки вокруг него (ЕРЭ) обозначим Eэ.

Любой (J) уровень дискретности резания представим как функцию от Еэ, поэтому УДР (J) = (Еэ) Единичный рез любым абразивным зерном запишем как 1 УДР = 1  Еэ. Обработка непрерывным алмазоносным слоем есть

T l₂

2 УДР =    Eэ. (46)

1 i=1

Шлифование инструментом с прерывистой рабочей поверхностью может быть записано таким выражением

2T l₁ l₂

3 УДР =  (    Еэ + l₃ / l₁). (47)

1 j=1 i=1

Четвертый уровень дискретности резания учитывает функциональные взаимосвязи у между рабочими контурами и их упругими основаниями. Пусть внутренний рабочий контур (ВРК) определяет, например, инструмент 3 УДР, а наружный рабочий контур (НРК) – инструмент типа 2 УДР. Тогда для случая независимых переменных между замкнутыми контурами НРК и ВРК, которые имеют автономные упругие элементы УПЭ, четвертый уровень можно записать следующим образом:

к

4 УДР = _у   [НРК (2 УДР) + ВРК (3 УДР). (48)

1

Для случая описания взаимосвязей в общем виде, когда НРК и ВРК соединены между собой УПЭ, запись функции четвертого уровня дискретности резания имеет вид

4 УДР_ОБЩ =  (ВРК, УПЭ, НРК, Кs). (49)

Здесь приняты обозначения: i, j - количество ЕРЭ, соответственно на ширине и протяженности непрерывного участка алмазоносного слоя; К - число рабочих контуров, участвующих в обработке; T, 2T - время обработки; l3 / l1 - коэффициент, отражающий соотношение протяженности паза и выступа на рабочей поверхности РП; Кs - соотношение площадей контакта детали и инструмента.

Активное рабочее пространство (АРП). Примем гипотезу, согласно которой система деталь - инструмент - технологическая (газо-жидкостная) среда с ее процессами контактного взаимодействия является основной частью некой технической системы, объединяющей рабочее пространство используемого оборудования с его материальной, энергетической и информационной подсистемами. А событие абразивной обработки тогда имеет место, когда в рабочем пространстве осуществляется работа по формообразованию изделия, а также есть подготовка к этой работе или ее окончание (включая возможные промежуточные состояния). Следовательно, есть какое-то рабочее пространство, объекты (элементы) которого в событии абразивной обработки занимают различные состояния, определяющие результаты обработки, например, качество поверхности детали. Мы назвали эту сложную техническую систему активным рабочим пространством (АРП), т.е. имеем большую техническую систему TS АРП.

В соответствии с теорией технических систем /35/ процесс абразивной обработки классифицируем как техническую систему TS. У процесса есть назначение, структура, свойства; технический процесс можно рассматривать как элемент системы преобразований. Системой будем называть совокупность, образованную (и упорядоченную по определенным правилам) из конечного множества элементов. При этом между элементами системы существуют определенные отношения. Целенаправленное поведение системы - это функция. Внутренняя организация и построение системы со всеми ее элементами, их взаимосвязями, функциями - это структура TS. Совокупность элементов (даже один, но весомый) представляем как объект, или малую техническую систему. Совокупность объектов составляет большую систему TS. Объекты: деталь (Дм), инструмент (Ин) и среда (ФТС), все вместе составляют сложную систему TS ДИС. Основные объекты (ОЭ) системы АРП это малые TS Дм, TS Ин, TS ФТС, внешняя энергия и т.д. Следовательно, ДИС - это основная часть АРП. Совокупность материальных S, энергетических En, информационных I потоков рабочего пространства и TS ДИС составляют большую (сложную) техническую систему АРП. Если поведение всех объектов обозначим ВЕ, то в общем виде система может быть записана как:

TS АРП =  (TS ДИС + S + En + I + ВЕ) . (50)

Контактное абразивное взаимодействие. Объекты АРП на любом уровне дискретности резания участвуют в процессе контактного взаимодействия КНВ. Содержание КНВ определяется состоянием элементов (объектов) TS ДИС, их поведением BE и многими другими факторами, например, уровнями УДР. Физико-химические и электрофизические, низкочастотные вибрационные и ультразвуковые, электромагнитные и кавитационные, а также многие другие явления, эффекты и процессы, происходящие при абразивном разрушении, воздействуют на формирование качества обработки. Для оценки происходящих при КНВ процессов использовали известные показатели, такие как силы резания, температура шлифования, коэффициент шлифования. Наряду с ними для оценки процессов в АРП использовали новые (предложенные и обоснованные) критерии: показатель обрабатываемости материала шлифованием КОБЩ, критерий активности состояния подвижной системы ЭНПС, электрический контактный потенциал взаимодействия ЭКПВ.

Объединяющая концепция процесса абразивной обработки. На основании принципов АРП(I), МКС, TS ДИС, УДР, КНВ объединяющая схема процесса абразивной обработки может быть представлена в блочном виде. Пусть установленные физические явления отражают функции i. Их общее число i. Известные основные функции процесса резания, обозначенные как Fi и связывающие входные и выходные показатели, разделим на группы. Это функции i и взаимосвязи между ними. Поэтому основные функциональные зависимости могут быть таковы:

n k m Fi = iКАЧ; Fj'= jКОЛ Fij  = БЛОК (51)

i=1 j=1 Б=1.

Их объединяет детерминированная функция FijkДЕТ. Такое разделение предназначено для повышения эффективности анализа явлений КНВ и построения математической модели (ММ) процесса. При создании общей математической модели процесса абразивной обработки можно использовать блоки полученных частных математических моделей /27/. Такая схема положена в основу поэтапного установления математических взаимосвязей между выходными технологическими показателями процесса (Ra, Q, ), параметрами процесса резания (Py, Pz, , Uэкпв), характеристиками инструмента (dз, Hт, УДР) и другими входными показателями (VКР, SПР, t). Получение зависимостей функций уровня i, Fi Fj позволяет определить функции Fij, которые могут быть выражены в любой форме, например, в виде структурной модели. Блочная схема имеет конкретные взаимосвязи, представляет собой структуру процесса шлифования по типу концептуальной схемы. Она объединяет в себе принципы УДР(I), КНВ, процесс резания (в традиционном понимании), систему СПИД, связи выходных технологических показателей с входными. Совокупность указанных принципов представляет основу для частных методик, которые могут быть подчинены цели - раскрыть содержание элементов и их взаимосвязей в TS ДИС.

Указанные принципы являются новыми направлениями развития известных и принятых в РФ классификаций, в частности, дальней основой развития могут служить примеры инструментов, приведенные в табл. 1 (абразивные) и табл.2 (основного спектра). Напомним, принятая еще в СССР классифика­ция металлорежущего инструмента для универсальных металлоре­жущих систем предполагает, что вся номенклатура ме­таллорежущего инструменты подразделяется на 10 подгрупп, инст­румент каждой подгруппы — на 10 видов, инструменты каждого вида — на 10 разновидностей и т. д.

Таблица 1

Классификации абразивных инструментов /15/

Таковы главные положения базовых принципов, составляющих основу системного воззрения на процессы резания, которые закладывают в основу кинематики оборудования, предназначенного для финишной обработки различных материалов, включая неметаллы.

Таблица 2

Классификации металлорежущих инструментов /15/