Radzevich, S.P. Monograph - 2001

сложными поверхностями, что является одной из причин усложнения конструкции технологической оснастки для их закрепления.

Выполнение каждого из условий формообразования поверхностей деталей в отдельности необходимо, а всех вместе достаточно для того, чтобы при правильной ориентации можно было обработать деталь в полном соответствии с требованиями чертежа.

Г л а в а 8. Синтез наивыгоднейшего формообразования

поверхностей деталей

Правильно разработанный технологический процесс изготовления деталей предусматривает, что технологическая система и окружающая технологическая среда в процессе обработки эксплуатируется с максимальной отдачей. Для конкретных производственных условий в этом случае достигается наивысшая эффективность обработки.

Если в процессе обработки детали потенциальные возможности каждого элемента технологического процесса в отдельности и всех их вместе взятых используются наиболее полно, то реализуемые при этом технологии принято называть критическими (экстремальными, предельными или интенсивными).

Задача синтеза критических технологий обработки сложных поверхностей деталей на многокоординатных станках с ЧПУ и деталей общемашиностроительного назначения на универсальном, автоматическом и полуавтоматическом оборудовании решается на основе дифференциально-геометрического метода формообразования поверхностей при механической обработке деталей (Радзевич С.П., 1991a, b, c). Для решения этой задачи требуется исходная информация и введение в рассмотрение критерия эффективности обработки, исходя из условия достижения требуемого критерия которого она решается.

Целью технологического процесса механической обработки детали является получение ее поверхности Д в полном соответствии с требованиями чертежа при минимальных затратах времени и средств на изготов-

ление детали. Поэтому при решении задачи синтеза наивыгоднейшего формообразования следует исходить из заданной чертежом геометрической информации об обрабатываемой поверхности Д детали – остальные сос-

тавляющие технологического процесса (параметры применяемого инструмента и кинематики обработки, ориентация детали на столе станка с ЧПУ и др.) должны вычисляться (но не назначаться) исходя из условия достижения требуемого экстремума заданного критерия эффективности обработки.

Принципиальным является выбор критерия эффективности обработки, в соответствие с которым решается задача синтеза наивыгоднейшего формообразования поверхности детали. Он должен быть таким, чтобы при достижении заданного его экстремума все звенья технологического процесса работали в режиме, близком к предельному (критическому).

8.1.Критерии эффективности технологических процессов изготовления деталей в машиностроении

Наибоее эффективные технолонические процессы обработки поверхностей деталей на металлорежущих станках в некотором смысле оптимальны (или близки к оптимальным). Под оптимизацией технологического процесса обычно понимают принятие комплекса решений, обеспечивающих такое протекание технологического процесса, при котором критерий оптимизации достигает экстремального значения и вместе с тем соблюдается система ограничений, отражающих требования к качеству продукции и производительности обработки, накладываемых технологическими возможностями оборудования, инструмента, приспособлений, программой выпуска и организационно-техническими возможностями производства (Балакшин Б.С., 1969).

Задачи разработки технологических процессов изготовления деталей многовариантны. Решение задачи синтеза наивыгоднейшего формообразования поверхности детали предполагает введение в рассмотрение критерия эффективности – наиболее важного для заданных условий обработки показателя ее эффективности либо комплексного критерия, обобщающего ряд частных показателей эффективности механической обработки поверхности детали.

Правильный выбор критерия эффективности имеет решающее значение для установления наивыгоднейших условий обработки. Поэтому в качестве такого критерия следует использовать показатель, в наиболее полной мере отражающий эффективность механической обработки деталей на металлорежущем оборудовании.

Вкачестве критерия эффективности обработки в машиностроении используются:приведенные затраты на изготовление детали;прибыль;

себестоимость (технологическая, цеховая, заводская);производительность обработки;минимум затрат энергии на обработку;стойкость инструмента;качество обработки;точность обработки и пр.

Вкачестве критерия эффективности обработки находит применение введенное Этин А.О. понятие “разрешающей способности режущей кромки” (Воронов В.Н., 1993). Этот критерий эффективности определяется

как произведение толщины срезаемого слоя на скорость резания. Его использование позволяет учесть разные скорости резания и толщины срезаемых слоев при обработке деталей в разных условиях.

Находят применение и другие, в том числе комплексные, критерии эффективности обработки деталей на металлорежущих станках.

Наиболее полным экономическим критерием эффективности является минимум приведенных затрат на изготовление детали. Однако этот критерий не всегда достаточно просто формализуем, его использование требует учета большого количества факторов и выполнения в большом объеме громоздких сложно алгоритмизируемых вычислений. Для конкретных условий обработки могут существовать более простые по структуре критерии эффективности, использование которых обеспечивает получение практически того же конечного результата, что и использование в этих целях приведенных затрат на изготовление детали.

Важным показателем эффективности технологического процесса является производительность обработки, которая может служить критерием эффективности при изготовлении однотипных деталей в сходных условиях обработки. Сравнивать производительность различных технологических процессов, отличающихся один от другого характером массопереноса, целевым назначением и другими факторами затруднительно, поскольку по объективным причинам не существует единого, абсолютного показателя производительности технологических процессов и оборудования, полностью отвечающего содержанию понятия “производительность”, обладающего при этом достаточной общностью.

Об эффективности технологического процесса, оборудования или способа обработки, а также об их потенциальных возможностях можно судить по характеру генерирования поверхности детали во времени. В этом случае критерием оценки различных способов обработки служит скорость образования обработанной поверхности Д во времени, т.е. производительность формообразования. Однако следует иметь ввиду, что

площадь обработанной поверхности есть интегральная характеристика, в которой “растворяется” бесконечное многообразие форм изделий. Поэтому, строго говоря, применение критерия “производительность формообразования” правомерно лишь для сопоставления эффективности технологических процессов изготовления деталей одинаковой формы и из одинаковых заготовок.

Анализ наиболее широко применяемых критериев эффективности обработки показал, что в той или иной мере каждый из них зависит от производительности формообразования. Вследствие увеличения производительности, например, автоматизированного оборудования можно получить (по разным данным) до 60-70% экономического эффекта (Михайлов А.Н., 1992). Это дает основание использовать производительность формообразования в качестве частного критерия эффективности и на примере его применения показать потенциальные возможности дифференциально-геометрического метода формообразования поверхностей при механической обработке деталей. Выбор такаго критерия эффективности оправдан также тем, что производительность формообразования является важным показателем эффективности процесса обработки сложных поверхностей деталей и эксплуатациии многокоординатных станков с ЧПУ. Она является результирующей обобщенной характеристикой интегрального воздействия инструмента на заготовку и определяет интенсивность функционирования формообразующей системы станка с ЧПУ (Решетов Д.Н., Портман В.Т., 1986). Полученные при этом результаты без принципиальных ограничений могут быть обобщены на случай применения иного аналитически описанного критерия эффективности, в том числе и комплексного.

Выполненными под руководством Т.Н.Лоладзе исследованиями (Асатиани М.Д. и др., 1978) установлено, что при обработке деталей на станках с ЧПУ режимы резания, при которых затраты на обработку минимальны (т.н. экономические режимы резания) близки к режимам резания, при которых производительность обработки максимальна. Это следствие высокой стоимости как самих станков с ЧПУ, так и технологической подготовки их эксплуатации. Следовательно, производительность формообразования может быть использована в качестве критерия эффективности обработки сложных поверхностей деталей на многокоординатных станках с ЧПУ1.

Управлять производительностью оборудования для механической обработки деталей можно различными путями.

Увеличить производительность обработки можно путем повышения режима резания, установления наивыгоднейшей структуры многоинструментальной обработки и др. Большие резервы в этом отношении заключены в геометрических и кинематических аспектах процесса обработки, поскольку реализация неиспользованных их потенциальных возможностей позволяет увеличить производительность оборудования при неизменных, в том числе и предельно допустимых для него (критических) режимах резания. Поэтому повышение интенсивности собственно процесса формообразования является перспетивным направлением совершенствования обработки деталей в машиностроении.

Для случаев обработки сложных поверхностей деталей на многокоординатных станках с ЧПУ с приемлемой для практических целей точностью можно вместо сложного в аналитическом описании и менее удобного критерия минимума приведенных затрат на изготовление детали использовать более удобный критерий – максимальную производительность формообразования. Такой критерий аналитически описывается существенно проще, что создает предпосылки для его более широкого применения.

Оценивая производительность формообразования, часто ограничиваются учетом только кинематических факторов (Юликов М.И. и др., 1987): протяженностью ходов, скоростью движений и временем цикла обработки. Для увеличения производительности обработки обычно стремятся сократить протяженность ходов, совместить некоторые движения во времени или устранить некоторые из них, выбрать рациональные траектории движений, обеспечивающие возможность увеличения скорости движения инструмента и др. Вместо одной формообразующей точки (универсальный резец) в работу вводится множество таких точек – используется формообразующая режущая кромка (фасонный резец); вместо одного зуба (резца) в работу вводится несколько зубьев (резцов) – используется многозубый инструмент; несколько инструментов объединяется в один – применяется комбинированный режущий инструмент и др. (Юликов М.И. и др., 1987).

При обработке сложных поверхностей деталей на многокоординатных станках с ЧПУ следует различать следующие аспекты формообразования поверхностей деталей (Радзевич С.П., 1991a, b, c, d): локальное, региональное и глобальное их формообразование.

Под локальным понимается процесс формообразования поверхности детали в окрестности текущей точки на ней. Его эффективность зависит от параметров поверхности детали и исходной инструментальной поверхности в дифференциальной окрестности точки их касания, а также от относительной локальной ориентации этих поверхностей.

При региональном формообразовании рассматривается процесс образования поверхности детали в пределах одной строки формообразования2 на ней.

Глобальное формообразование предполагает учет частичной интерференции соседних строк формообразования и “краевой эффект” – учет влияния на параметры процесса формообразования формы и параметров границ контура, ограничивающего обрабатываемую поверхность детали.

В соответствие с этим будем различать три вида производительности формообразования, отражающие различные его аспекты:

мгновенная производительность – характеризует эффективность локального формообразования (в текущий момени времени);

региональная производительность – отражает эффективность обработки в пределах одной строки формообразования (в пределах одной строки прохода инструмента по поверхности детали);

1Более производительный процесс формообразования обеспечивает экономию времени на обработку, а к экономии времени сводится в конечном счете вся экономия.

2Под “строкой формообразования” понимается обработанный за один проход инструмента участок номинальной поверхности детали, расположенный вдоль траектории перемещения по ней точки касания поверхностей Д и И и в пределах которого реальная поверх-

ность Др отклоняется от номинальной ее поверхности Дн не более, чем на величину допуска на точность формообразования.

Предельные значения параметров SВ , SП , и в текущей точке K касания поверхности детали и ис-

ходной инструментальной поверхности зависят от параметров локальной топологии (от дифференциальных характеристик) поверхностей Д и И в их общей точке K и от величины допуска h на точность формообразования.

Величина допуска h на точность формообразования назначается, как правило, постоянной и определяется по тому месту на поверхности детали, к которому предъявляются наиболее высокие требования к точности обработки (где допускается минимальная результирующая погрешность формообразования h ). В ос-

тальных точках поверхности Д (или ее отсека) он может быть большим по величине – из этого следует очевидный резерв увеличения производительности формообразования: величину допуска h рационально устанавливать переменной в функции координат текущей точки на Д , а именно

h h Uд, Vд .

Следовательно, в идеальном случае в текущей точке на поверхности Д детали должно быть свое значение h U д, Vд допуска на точность формообразования.

Допуск h некоторым образом распределяется на две части hВ и hП , в пределах каждой из которых располагается соответствующая элементарная составляющая hВ и hП результирующей погрешности h формообразования. Составляющая hВ является следствием дискретности воспроизведения лезвийным инструментом его исходной инструментальной поверхности, а составляющая hП – следствием точечного характера касания поверхностей Д и И при дискретном формообразовании поверхности детали.

Очевидно, что:

h hВ hП ,

выполняется приближенно. Более точной является зависимость

h ahВ bhП ,

где a и b – константы (0 a 1; 0 b 1 ), определяемые для текущей точки K номинальной поверхности детали.

В текущей точке U д; Vд поверхности Д детали значения констанат a и b зависят от координатUи; Vи точки K на поверхности И инструмента и от величины угла относительной локальной ориентации поверхности детали и исходной инструментальной поверхности:

дельные величины подач SВ и SП , т.к. эти подачи являются функциями

SВ SВ hВ SВ hВ U д; Vд SВ U д; Vд ;

SП SП hП SП hП U д; Vд SП U д; Vд .

составляющих hВ и hП соответственно.

436 8. Синтез наивыгоднейшего формообразования поверхностей деталей

Поэтому производительность формообразования

Pф Pф h ; hП ; hВ Pф h U д; Vд ; hП Uд; Vд ; hВ U д; Vд Pф U д; Vд

также является функцией составляющих hВ и hП , а ее предельное значение также ограничено величинами

этих параметров.

Очевидно, что не только допуск h , но и величины его составдяющих hВ и hП могут быть как по-

стоянными, так и переменными в пределах площади обратываемого участка поверхности детали. В первом случае считаем заданными их величины, а во втором – их значения в каждой точке обрабатываемой поверхности Д , т.е. считаем известными функции:

Зависимость величины подачи SВ вдоль строки формообразования и аналогичная зависимость величины подачи SП поперек строки формообразования описываются функционалами:

SВ SВ Rд.В U д; Vд ; Rи.В U и; Vи ; ; ;

SП SП Rд.П U д; Vд ; Rи.П U и; Vи ; ; .

Эти подачи являются функциями значений нормальных радиусов кривизны Rд.В поверхности детали и Rи.В исходной инструментальной поверхности, измеренными в точке K в направлении подачи S В , а также значений нормальных радиусов кривизны Rд.П поверхности Д и Rи.П поверхности И , измеренными в точке K в направлении подачи S П . Это следствие зависимости величин нормальных радиусов кривизны Rд и

от координат текущей точки K на поверхности Д(И) , от направления плоскостей измерения нормальных радиусов кривизны (угол ) и от относительной локальной ориентации (угол ) поверхностей Д и И в

процессе обработки.

Как правило, управлять параметрами Rд.В и Rд.П поверхности детали нельзя – в заданной точке K на поверхности Д их значения фиксированны. Параметрами Rи.В и Rи.П управлять можно, поскольку с заданной точкой K на поверхности Д можно вводить в касание поверхность И инструмента различными своими точками и, кроме того, путем изменения величины угла относительной локальной ориентации различным

образом ориентировать инструмент относительно детали. Более широкими возможностями в этом отношении обладают инструменты с изменяемой в процессе обработки геометрией исходной инструментальной поверхности (Родин П.Р. и др., 1976; Радзевич С.П., 1988).

В текущей точке на поверхности Д детали значения параметров ее кривизны фиксированы. Вместе с тем в некоторых случаях допустимо ввести один или группу управляемых параметров Dд , варьируя значения которых можно временно целенаправленно изменять величины главных кривизн поверхности Д в заданной

точке на ней, например, как это имеет место при упругом деформировании тонкостенной заготовки (см. выше, рис. 2.3 на с. 123). Таким путем заготовка переводится в технологическое состояние, появляется возможность управлять во время обработки степенью конформности исходной инструментальной поверхности И к поверхности Д детали и за счет этого увеличить производительность формообразования. После окончания обра-

ботки воздействие на заготовку группы параметров Dд снимается.

Аналогично, можно ввести один или группу управляемых параметров Dи , варьируя в процессе обработ-

ки значения которых можно временно целенаправленно изменять форму и параметры исходной инструментальной поверхности И (например, путем упругого деформировария инструмента) в заданной точке на ней с

они непосредственно определяют эффективность обработки деталей, в т.ч. деталей с рабочими поверхностями сложной формы (Решетов Д.Н., Портман В.Т., 1986).

8.2.2.1. Производительность съема припуска равна объему припуска, удаляемому с заготовки в единицу времени – она определяет интенсивность удаления операционного припуска в процессе обработки детали.

Для аналитического описания производительности съема припуска требуется уравнение поверхности З заготовки.

Уравнение поверхности З может быть определено исходя из данных, полученных, например, путем обмера заготовки. Припуск толщиной t постоянен по величине или может быть распределенным неравномерно и изменяться в пределах обрабатываемого участка поверхности детали согласованно с изменением параметров Uд и Vд (литая заготовка, деформированная заготовка после термообработки под шлифование и др.).

Обрабатываемая поверхность Д детали и поверхность З заготовки разделены между собой припуском толщина t , которого изменяется вдоль нормали n д к номинальной поверхности детали. В общем случае тол-

щина припуска в текущей точке поверхности детали может быть представлена как функция криволинейных координат U д,Vд поверхности Д , а именно: t t U д,Vд . Эта формула позволяет описать поверхность за-

готовки З уравнением вида: