Теория и практика оптимизационного проектирования механической обработки маложестких заготовок

0, Основные результаты исследований были внедрены и получили широкую апробацию в условиях действующего производства на АО «Ленинградский металлический завод», АО «Завод турбинных лопаток, АО «Звезда», АО «Арсенал», АО «Свердлов», ВНЩЦ, ВНИИ Знергомзш, 0П6ГТУ и других организациях и предприятиях северо-западного региона РФ,.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненное исследование позволило выделить актуальную и многоплановую проблему механической обработки маложестких заготовок деталей ответственного назначения, к которым предъявляются высокие требования относительно комплексного критерия качества при условии минимизации затрат машинного времени, В результате выполненного анализа выделен класс маложеотких заготовок с соответствующим отображением их деформативных свойств и специфических особенностей в динамических моделях технологических систем. Решение указанной проблемы осуществлено путем разработки теории и методов эффективной реализации результатов оптимизационного проектирования механической обработки на современных станках с ЧПУ,.

2, Предложена совокупность показателей, определяющих динамическое состояние технологической системы и позволяющих выполнить необходимую количественную оценку основных статических и динамических свойств технологической системы с учетом возможной модификации характеристик заготовки. Указанное является методологической основой для выполняемого комплексного исследования технологических систем механической обработки маложеотких заготовок и отображает;

— влияние параметров заготовки на характеристики технологической системы;

— особенности формирования структуры и параметров технологической системы;

— возможность локальной оптимизации структуры технологической системы;

— вовможности варьирования параметров технологической системы с целью выполнения требований динамического качества,.

3, На основе системного подхода осуществлено построение адекватной динамической модели технологической системы путем уточненного анализа подсистем с распределенными параметрами и закономерностей процесса резания с учетом динамического взаимодействия этих подсистем. Предложены основные классификационные глобальных дискретных моделей подсистем применительно к различным видам механической обработки. Это позволило с максимально доступной полнотой на основе обобщенных подходов отобразить свойства маложесткой заготовки в балансе динамических свойств технологической системы в целом,.

4, Разработан научно обоснованный метод построения на иерархическом принципе совокупности линеаризованных динамических моделей и их упрощенных аналогов в ограниченном частотном диапазоне, использованных при решении как задач анализа, так и частных задач оптимизации механический обработки маложестких заготовок относительно предложенного комплексного критерия, Предложен эффективный метод эквивалентной аппроксимации исходной многомерной модели дискретной моделью с небольшим числом степеней свободы. Разработан и обоснован критерий близости таких моделей в линеаризованной постановке задачи, данный подход позволил при формировании мидели малой размерности сохранить доминирующие свойства исходной модели, тем самым обеспечить между ними максимальное динамическое соответствие,.

5, Поиск аппроксимирующих систем малой размерности осуществлен путем последовательного усложнения структуры упрощенной модели на основе индуктивного подхода. Предложена, классификация моделей, которая позволяет построить на иерархической основе совокупность упрощенных моделей технологической системы от простой двухконтурной до составной пятиконтурной с различными упруго-диссипативными характеристиками, охватывающая при динамическом моделировании широкий класс технологических систем механической обработки,.

6, Разработан эффективный метод построения областей устойчивости процесса резания в расширенном вариативном пространстве параметров технологической системы с целью обоснования предельно допустимых режимов резания. Предложен научно обоснованный метод формирования комплексного критерия динамического качества (включая степень устойчивости) при обработке оложнопрофильных изделий, на основе которого осуществляется выбор эффективных режимов обработки,.

7, Для оценки значимости параметров модели разработан алгоритм построения и анализа функций чувствительности динамической модели технологической системы по смещению границ области устойчивости в пространстве варьируемых параметров, Указанное позволяет проводить исследование на основе детерминированной модели технологической системы, некоторые параметры которой заданы приближенно или оценены статистически, что дает возможность отказаться от необходимости построения чрезвычайно сложных стохастических моделей. Проведенное на базе разработанного алгоритма исследование показало сравнительно высокую чувствительность положения границы области устойчивости в пространстве параметров по характеристикам трения в зоне резания. Указанное свидетельствует о существенно ограниченной возможности использования упрощенного описания процесса трения в динамике технологической системы и необходимости исследования нелинейных моделей на основе динамической характеристики трения,.

8, Выполненный комплекс исследований контактных взаимодействий при обработке резанием маложестких заготовок показал, что традиционный подход о использованием квазистатической характеристики трения исключает возможность дифференцированного учета упруго-пластических свойств в динамике взаимодействия, являющихся важным Фактором фоормирования автоколебательных процессов при резании, В описании динамической характеристики трения развит метод, основанный на молекулярно-механическом представлении о контактном взаимодействии в виде двухфазного процесса, представляющего собой последовательное чередование Фаз скольжения и схватывания, продолжительность которых определяется условиями взаимодействия элементов системы,.

9= При разработке динамической модели ТОЮ с учетом нелинейности характеристики трения предложены эффективные алгоритмы, основанные на использовании современных программно-аппаратных средств. Разработаны эффективные методы получения необходимых исходных данных для выполнения динамических расчетов применительно к контактным взаимодействиям в процессе резания с использованием экспресс-методов количественной оценки и имитационного моделирования. На основе анализа физических процессов в зоне резания выявлены условия фазовых переходов ''скольжениесхватывание", определяющие существование основных и скользящих режиме, что озволяет составить таблицу решений в процессе имитационного моделирования на выбранном временном интервале.

10, Получены на основе исследования нелинейной динамической модели результаты, позволяющие оценить область допустимой линеаризации исходных моделей, а также область допустимого управления режимами резания в технологической системе с использованием положений теории технической устойчивости, Сравнительный анализ результатов, полученных с использованием нелинейной модели и принятых в настоящее время линеаризованных моделей показал в ряде случаев значительное смещение границ области устойчивости, Тем самым выявлены зоны с определенным запасом устойчивости технологической системы в допустимых пределах при использовании в расчетах линеаризованных моделей,.

11, В результате проведенных исследований поставлены и решены основные задачи динамического синтеза ТСМО в ограниченном вариативном пространстве параметров подсистем при варьировании режимов резания с целью достижения максимальной эффективности механической обработки маложестких заготовок с обеспечением требуемых характеристик качества. При определенных обоснованных ограничениях удалось свести поставленные задачи к совокупности задач линейного программирования, эффективно решаемых о применением современной вычислительной техники для достаточно сложных моделей, В задачах динамического синтеза параметров ТСМО по критерию производительности и точности получены квазиоптимальные решения с последовательно выполняемой пошаговой корректировкой доминирующих параметров системы и принятием решений на базе экспертных оценок,.

12, Показано, что оптимизация параметров ТШО по критерию устойчивости является одной из наиболее важных и часто встречающихся задач проектирования технологических процессов механической обработки мапожеоткмл заготовок, Эта задача решается как задача параметрической оптимизации с критериями эффективности, отражающими степень устойчивости динамической модели технологической системы в пространстве варьируемых параметров. Пои наличии у базовой модели в рабочем скоростном диапазоне резонансных режимов предложен метод решения задачи частотной отстройки,.

13, Разработаны алгоритмы, позволяющие на основе имитационного динамического моделирования синтезировать оптимальную по условиям эксплуатации изделий микрогеометрию поверхности, а также технологические остаточные напряжения в металле поверхностного слоя обработанного изделия, При выполнении оптимизационных процедур предложены и реализованы в рамках эффективных алгоритмов оценки параметрических и непараметрических характеристик микрогеометрии и состояния поверхностного слоя изделия, полученные о помощью оригинальных методов и средств измерения,.

14, Для решения задачи обеспечения стабильности качества предложен обобщенный векторный критерий качества, представляющий собой совокупность частотных критериев размерной точности и состояния поверхностного слоя, Скаляризация этого критерия позволила обосновать целевую функцию при оптимизационном проектировании ТОУО в пространстве варьируемых параметров, определяющих качество поверхностного слоя изделия. Для комплексного количественного сравнения состояния поверхностного слоя изделий, разработана Функциональная модель состояния поверхностного слоя. На ее основе разработаны эталонные характеристики, а также меры для оценки близости к ним реальных характеристик состояния поверхностного слоя изделий,.

15, Для осуществления имитационного моделирования при экспериментальном исследовании контактных взаимодействий в процессе резания разработан программно-аппаратный комплекс в составе ИВК «динамика», который является эффективным натурным динамическим имитатором для широкого класса технологических систем механической обработки маложестких заготовок с различными упругодиссипативными и инерционными характеристиками и позволяет проводить программу модельных исследований без непосредственного привлечения дорогостоящих уникальных изделий,.

16, Разработанное программное, аппаратное и методическое обеспечение ИВК «Профиль и «Твердость» явилось основой для комплексного исследования состояния поверхностного слоя инструментальных и обрабанываемых материалов до и после механической обработки с возможностью достоверного определения необходимых параметрических и непараметрических количественных оценок и качественных характеристик, отображающих свойства поверхностного слоя изделия,.

17, На базе разработанных оригинальных программных комплексов и программно-аппаратных средств выполнен значительный объем сопоставительных расчетно-экспериментальных исследований с целью обоснования исходных предположений, созданных методов, алгоритмов и методик:

— сравнительные результаты имитационного и натурного моделирования контактных взаимодействий в процессе резания показали необходимое соответствие в пределах принятой доверительной вероятности, что позволило обосновать применимость молекуляр-но-механического представления в описании динамической характеристики трения пои резании в рамках нелинейных моделей кусочно-линейного типа;

— тестирование разработанного программного обеспечения для решения систем кусочно-линейных дифференциальных уравнений при исследовании контактных взаимодействий в процессе резания подтвердило их высокую эффективность и быстродействие пои поиске периодических решений, определении уровня амплитуд колебаний, а также границ областей устойчивости с использованием линеаризованных моделей;

— результаты экспериментальных исследований статической жесткости различных маложестких сложнопрофильных заготовок и режущих инструментов в сравнении с расчетными данными, полученными с использованием дискретных моделей на базе конечноеле-ментного интегрированного комплекса KOSMOS/М, показали их высокую результативность и универсальность при моделировании элементов технологической системы;