Повышение качества изготовления корпусных деталей оболочкового типа на основе управления вибрацией технологического оборудования

Все индустриально развитые страны в своей практической деятельности исходят из того, что XXI век — это век науки и высоких технологий, жесткой международной технологической конкуренции. Большинство из них прилагают максимум усилий с целью укрепления научно-технического потенциала, расширения инвестиций, ускорения темпов научно-технического развития. На долю семи высокоразвитых стран приходится 80 — 90% всей наукоемкой продукции (доля России составляет около 0,3%). «Без сохранения и развития машиностроения экономика России обречена на стагнацию и вымирание» [1]. Станкоинструментальная промышленность — сердцевина машиностроительного комплекса, создающая его основные фонды и определяющая научно-технический уровень производства, должна непрерывно развиваться совместно с наукой, это позволит улучшать технические характеристики металлорежущих станков, создавать новые прогрессивные и конкурентоспособные конструкции. Внедрение новых технологий производства изделий авиационно-космической техники непосредственно связано с использованием прогрессивного технологического оборудования-(ТО).

Технологическое оборудование, как класс, включает множество категорий и разновидностей, из которых основными являются металлорежущие станки и оборудование: кузнечно-прессовое, литейное, сварочное, деревообрабатывающее, испытательное, обеспечивающими технологические процессы изготовления! изделий машиностроения. Состав технологического оборудования, формирущего качественные показатели изделий более 65% содержит металлорежущие станки. Традиционно металлорежущие станки (МРС) определяют, как машины дляразмерного формобразования поверхностей методом снятиястружки. Типовые требования, предъявляемые к станкам, связаны с технологическим процессом формирования геометрии обрабатываемых деталей, обеспеченияопределенных характеристик микронеровностей и реализацией заданного качества поверхностей при* рациональной производительности обработки. Качество продукции — совокупность свойств, обуславливающих пригодность продукции удовлетворять определенным потребностям в соответствии с ее назначением (ГОСТ 15 467−79).

По данным института машиноведения РАН в развитых в экономическом отношении стран, таких как США, Япония и Германия объем продукции машиностроения занимает порядка 50% от общего объема промышленной продукции. В России в последние годы доля машиностроения не превышает 17% в общем объеме промышленной продукции [2, 3].

Поддержание наметившейся тенденции к оздоровлению экономики России, смещение финансовых интересов из добывающих в производящие отрасли, решение проблем удвоения ВВП и превращение машиностроительных предприятий в категорию инвестиционно привлекательных в определенной степени' зависит от выверенности задач машиностроительного производства, а также соразмерности и эффективности технологической базы, используемой предприятиями для решения этих задач. Осознанная необходимость кардинальных перемен, диктуемых сложившейся ситуацией, современные российские машиностроительные предприятия далеки от совершенства и пока не обладают ни достаточными способностями для выявления и оценки профильных задач, возникающих на быстро изменяющемся рынке, ни способностью целенаправленно создавать или трансформировать технологические ресурсы для их адекватного решения.

Совокупность технологических ресурсов предприятия образует технологическую среду. Традиционное решение проблемы обеспечения необходимой технологической средой сводится к выявлению и замене отдельных технологических процессов на новые, более совершенные. Причем это касается как основного (станочного) оборудования, так и в равной степени относится к элементам интеллектуального труда, реализуемых с помощью информационных технологий, что позволяет определять среду предприятия как информационно-технологическую.

Значительным, а для ряда случаев принципиальным недостатком такого подхода является то, что достижение целей происходит за счет «подтягивания» отдельных элементов, в то время как уместность, целесообразность и адекватность информационно-технологической среды в целом не ставится под сомнение и не оценивается. Вследствие такой многолетней практики предприятия машиностроения утратили первоначальное предназначение и стали «целенеопределеными» и зависимыми от хаотически сформированной информационно-технологической среды [4]. Понятие технологии производства базируется на трех основных её- составных частях: научных принципах, орудиях труда и специалистов, владеющих профессией. Из известных двадцати шести критических технологий, как минимум девять технологий: наноматериаловатомной энергетикиводородной энергетикимехатроники и создания микросистемной техникипереработки и утилизации техногенных образованийсоздания биосовместимых материаловсоздания и обработки композиционных и керамических материалов, кристаллических материалов, полимеров и эластомеров, энергоэффективных двигателей и движителей для транспортных систем — включают обработку деталей на металлорежущих станках, к которым предъявляются специальные технологические требования по режимам обработки и динамическим процессам, сопровождающих обработку изделия. С 1990 г по 2007 г в России снизился выпуск металлорежущих станков примерно с 67 тысяч единиц до 7 тысяч единиц, до сих пор количественный и качественный уровень станкостроительной, продукции не поднялся до* депрессионного уровня. Динамика выпуска технологических машин* в России’приведен на рисунке 1.

60 30 20 10 0.

1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007.

— 0—МРС -«—ДОС —Д—МЛт— МКП ГОДЫ.

МРС — металлорежущие станкиДОС — деревообрабатывающие станки;

MJI — машины литейныеМКП — машины кузнечно-прессовые Рисунок 1 — Выпуск технологических машин в России.

Состояние металлообрабатывающего оборудования в-России близко к критическому пределу, более 2/3 нуждается в замене, что в общем случае может привести к утрате технологической независимости страны. При решении создавшейся проблемы можно либо модернизировать существующее оборудование, либо создавать новые конструкции, либо приобретать импортное оборудование.

Как известно, целью и основной задачей фундаментальных исследований является раскрытие закономерностей, явленийи процессовj создания научных основ принципиально новых технологий, формирующих конкурентоспособность изделий. Успехи в развитии техники в основном связаны с новыми технологическими процессами [5], включая высокие технологии и освоение критических технологий прецизионной обработки материалов. При создании новых конструкций МРС для увеличения качества, производительности и эффективности труда-, необходимо учитывать требования прочности, жесткости m устойчивости конструкции, все эти показатели затрагивают вопросы вибрации. Уровень виброактивности металлорежущих станков должен закладывается в процессе их проектирования, и регламентироваться^ в технологических процессах изготовления изделий, однако успешному решению1 проблемы^ снижения виброактивности препятствует отсутствие четко сформулированных и систематизированных теоретических разработок с анализом конструктивных параметров станков. Реализация? идеи: снижения вибрации станков в технологии производства изделий повысит долю эксплуатрируемого прогрессивного металлообрабатывающего оборудования и качество г выпускаемой продукции [6- 7, 8• 9, 10].

Актуальность-работы. Главной составляющей научно-технического прогресса является освоение новых технологий производства изделий машиностроения. Технология производства, обеспечивающая, качественные показатели товарной-продукции, формирует функциональные требования, к точности, жесткости и вибрации технологическогоюборудования- (ТО), в частности металлорежущих станков" (МРС).

Отличительной особенностью современнойтехнологии машиностроения" является освоение высокоскоростных режимов резания при максимальных скоростях подачи в процессе обработки прецизионных деталей.

Технологические процессы резания характеризуются значительной виброактивностью на всех режимах работы металлорежущих станков. Обеспечение высокой точности и качества обработки деталей изделий авиационно-космической техники (АКТ) без снижения производительности при управляемой вибрации МРС является важнейшей проблемой, требующей решения. Значимость и важность проблемы снижения виброактивности возрастает при освоении новых технологических процессов, требующих создания нестандартных МРС нового поколения. Успешному решению проблемы освоения высоких технологий препятствует недостаточное наличие теоретических разработок в области конструирования шпиндельных сборок ТО с малой виброактивностью. Создание ТО с нормированной виброактивностью, сформированной с учетом современных требований и принципов технологического управления динамическими процессами является основной задачей повышения их технического уровня. Реализация идеи снижения виброактивности повышает долю ТО, соответствующего мировому уровню по параметрам точности и производительности на 25% - 35%, а вновь разрабатываемых до 100%, по эффективности эквивалентной 15% стоимости ТО. Решаемая в диссертационной работе проблема является составной частью цикла научно-исследовательских работ университета по созданию, исследованию и внедрению в производство прогрессивного ТО, проведенных в соответствие с научным направлением кафедры «Технологии машиностроения» СибГАУ. Раскрытие закономерностей влияния вибрации ТО1 на точность и качество механической обработки деталей позволит активно управлять технологическим процессом изготовления конкурентоспособной продукции АКТ. Кроме того, актуальность выполненных исследований обусловлена новизной постановки задач, раскрывающих влияние вибрационных процессов на точность и качество технологических процессов, включая конструкции станков.

Целью работы является повышение качества и точности изготовления корпусных деталей оболочкового типа на основе раскрытия принципов формирования вибрационных процессов шпиндельных сборок технологического оборудования, используемого в технологии производства изделий авиационно-космической техники.

Реализация поставленной цели позволит принимать целенаправленные решения при создании новых технологических процессов с регламентированной виброактивностью станков, проектировать быстроходные универсальные шпиндельные сборки прецизионного класса с необходимыми компонентами вибрации: виброперемещения, виброскорости и виброускорения.

В данной работе теоретические исследования выполнены с использованием основных положений технологии машиностроения, теории малых колебаний, теории упругости, аппарата системного анализа. В экспериментальных исследованиях применялись специальные методики, стандартные приборы-, и оборудование, методы прикладной статистики. Для разработки программного и математического обеспечения использованы методы системного анализа1 и компьютерного моделирования.

В качестве объекта исследования рассмотрены технологические процессы и оборудование производства авиационно-космической техники. Для экспериментальных исследований и динамических измерений служили специальные фрезерные станки, а также станки токарной и шлифовальной групп.

Предметом исследования явились технологические процессы фрезерования корпусных тонкостенных деталей, однородные физические величины поступательного движения точки упругого тела, характеризующие вибрацию, а также параметрическая точность и шероховатость поверхности обработанной детали. Признаками, на основании которых производилась оценка качества приняты: шероховатость поверхностного слоя, компоненты вибрации: виброскорость и виброускорение.

Основные задачи работы: установление связей и построение математических моделей точности и качества обработки деталей-с компонентами вибрации. станкаразработка математических моделей компонент вибрации ТОсоздание образно-знаковой модели синтеза технологического процесса с учетом нормированной вибрации и ресурса технологической точностиразработка функции для" оценки добротности технологических системразработка рекомендации по нормированию вибрации фрезерных станков.

В данной работе под термином инструментарий понимается совокупность аппаратно-программных средств и методических приемов функционального анализа качества конструкций станков, систем параметров и понятий предметной области и формальной модели, используемых в процессе исследования, проектирования, испытания, изготовления нового прогрессивного технологического оборудования. В работе также учтены и использованы нормативы по технологическому и вибрационному контролю машин и оборудования, международные стандарты ИСО, действующие ГОСТы России.

Научная новизна работы:

1 Предложена и теоретически обоснована методология управления виброактивностью на стадии разработки технологического процесса и оборудования.

2 Получены новые математические модели шероховатости и точности обработанной поверхности, увязанной с компонентами, вибрации технологического оборудования.

3 Получена математическая модель ресурса точности металлорежущего станка с учетом вибрационных процессов.

4 Разработана математическая модель добротности технологического, оборудования по — вариации амплитуды виброскорости.

5 Установлено, что поля допусков размеров. обрабатываемой детали влияют на виброактивность, технологического оборудования:

Практическая значимость работы.

Разработаны численные методы и программные комплексы для функционального анализа технологических процессов и прикладных исследований, виброактивности проектируемого технологического оборудования, используемого в технологии изготовления изделий^авиационно-космической техники.

Предложены новые рекомендации по нормированию компонент вибрации? проектируемых и эксплуатируемых фрезерных станков, используемых в производстве АКТ.

Создан алгоритм численного решения задач по снижению вибрации ТО и прикладная программа «Велоракс», являющихся инструментарием управления формированием виброактивности металлорежущих станков в технологии производства изделий АКТ.

Результаты исследования используются в учебном процессе при ведении дисциплин «Металлорежущие станки», «Проектирование нестандартного оборудования», «Проектирование машиностроительного производства» по специальности 151 001 «Технология машиностроения».

Рекомендации по снижению виброактивности конструкции станка использованы при экспертизе динамических характеристик разрабатываемого специального фрезерного станка для обработки корпусных деталей АКТ предприятием ФГУП «Красмаш».

На защиту выносятся следующие положения:

— математическая модель связи параметров качества и точности механической обработки с компонентами вибрации;

— образно-знаковые модели технологических процессов изготовления изделий АКТ;

— новый метод численного анализа конструкций станков с применением специальной функции вибрации;

— технология проектирования, обеспечивающая создание металлорежущих станков с нормированной вибрацией, и требованиями технологического процесса;

— результаты теоретических и экспериментальных исследований, станков шпиндельного класса,.

— методика расчета ресурса технологической точности металлорежущих станков с учетом вибрации,.

— математическая модель добротности технологического оборудования по вариации пиковой виброскорости механизма главного движения;

— методика и принципы управления формированием и снижением виброактивности средств технологического оснащения в процессе их разработки и эксплуатации;

— алгоритмы и программный комплекс функционального анализа конструкций ТО, используемых в технологических процессах высоких технологий.

Г Анализ технологических принципов управления формированием виброактивности металлорежущих станков.

Технологический процесс изготовления детали на МРС постоянно сопровождается вибрационными процессами различной природы. Вибрация, возникающая при ведении технологического процесса механической обработки деталей и трансформируемая со смежных объектов, влияет на рабочие процессы, протекающие в конструкции механизмов металлорежущих станков. Существуют определенные термины и определения в области вибрации, причем они очень разнообразны, в работе применены терминологии в основном по ГОСТ 24 346 [11], а так же буквенные обозначения по ГОСТ 24 347 [12]. Вибрация (от лат. vibratio — колебание, дрожание) — движения точки или механической системы, при котором происходят колебания его скалярных величин. Механические колебания — колебания значений кинематической или динамической величины, характеризующей механическую, систему.

В процессе механической обработки детали в технологической машине возникают различные виды вибрации, возбуждаемыми процессами:

— динамическими или силовыми, когда внешние колеблющиеся силы или моменты сил, не зависящие от состояния вибрируемой системы, приложены к одному или нескольким инерционным элементам этой системы, например, сила резания или инерционная сила от работающего привода;

— кинематическими, когда одной или нескольким точкам вибрируемой системы из вне сообщаются колебания, не зависящие от ее состояния, например, от погрешности изготовления деталей станка;

— параметрическими, когда вибрация системы возбуждается не зависимыми от ее состояния изменениями значения одного или нескольких параметров, например, изменение жесткости отдельных элементов станка или изменение момента инерции [13, 14];

— автоколебаниями, когда вибрация поддерживается за счет поглощения порции энергии от постоянного источника, например от внутренних или внешних источников, подводящих энегрию неколебательного типа. Автоколебательные системы можно разделить на два типа: первый тип сочетает в себе обычную колебательную систему, состоящую из массы и упругости (например, тело на пружине), и источник энергии с соответсвующим регулирующим усройством, способным включать и выключать подвод энергии к системевторой тип характерезуется тем, что от источника энергия подводится к некотрому накопителю, а переключатель осуществляет то подвод энергии к накопителю, то отвод энергии от него, в результате чего происходят периодические движения некоторого элемента вперед-назад [15, 16, 17].

Вибрация действует непосредственно на станок и его конструктивные узлы из внешней среды или возникает в результате работы станка [18]. Полезная вибрация используется для выполнения" различных технологических операции, например при хонинговании, вибрационной транспортировке отдельных тел, уменьшении эффективных коэффициентов сухого трения [16]. Вредная вибрация может возбуждаться каждым из перечисленных выше способов*. Вредная вибрация вMPG приводит к нарушению режима работы, влияет на, показатели качества станка, такие каю надежность, производительность, точность [19].

Действие вибрации на организм человека различно в зависимости от того, вовлечен ли в нее весь организм (общая вибрация) или его часть (местнаяили* локальная вибрация). Человек непосредственно воспринимает вибрацию лишь в ограниченном низкочастотном диапазоне. Биологическое действие вибрации зависит от ее частоты: колебания частотой до 15Гц вызывает смещение тела и органов (реакцию вестибулярного аппарата) — до 25Гц — воспринимаютсякак отдельные толчки,-вызывают костно-суставные измененияот 50 до 250Рц — влияют на нервную систему, вызывают сосудистые реакции, вибрационную болезньпри более высоких, ультрозвуковых частотах происходит переход механической энергии втепловую, наблюдается бактерицидное, кавитационное действие вибрации.

Для оценки технического состояния механизмов, выполняющих определенный технологический процесс, можно использовать вибропараметры: виброперемещение, виброскорость, виброускорение, виброрезкость, и их логарифмические уровни. Особенностью указанных параметров является их высокая информативность и чувствительность, а также оперативность, что подтверждает целесообразность использования виброметрии в процессе исследований.

Выводы.

1 Проведенное ранжирование видов колебаний технологического оборудования показало, что при анализе конструкций станков необходимо уделять наибольшее внимание изучению поперечных, угловых и продольных колебаний.

2 В ходе проведения предварительных экспериментов на лабораторном оборудовании, подтверждено, что измерять компоненты вибрации необходимо в энерго насыщенных точках, которыми являются корпус механизма главного движения в местах установки, подшипников, рабочий стол станка и фундамент.

3 Проведенная статистическая обработка экспериментальных значений виброскорости и виброускорения указывает на нормальный закон распределения полученных значений.

4 Проведенные экспериментальные исследования виброактивности металлорежущих станков, выполненные в лабораторных и производственных условиях показали хорошую сходимость с полученными результатами компьютерного моделирования в пределах от 4,3% до 9,7%.

5 Для анализа процессов вибрации. в МРС записаны и проанализированы осциллограммы, позволяющие определить амплитуду колебаний и собственную частоту вращения.

6 Введен поправочный коэффициент по радиальному биению шпинделя и подшипника, учитывающий фактическое состояния станка в момент определения виброкомпонент.

7 Проанализированая величина остаточногополотна «вафельного фона» оболочки после обработки, составила 0,1 мм.

8 Анализ шероховатости обработанной поверхности корпусной1 детали оболочкового типа от компонент вибрации МРС и от используемого инструмента, подтверждает, что1 для получения наименьшей шероховатости необходимо выбирать ТО с наименьшими виброскоростями, а фрезу прецизионную четырехзубую.

9 В ходе экспериментальных исследований подтверждено, что линейно массовые параметры ШСЕ являются значимыми при формировании компонент вибрации в МРС.

4 Рекомендации по применению технологических принципов управления формированием виброактивностью МРС.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования технологических процессов и ШСЕ МРС позволили предложить рекомендации по: применению принципов управления формированием виброактивности МРС в технологии производства изделий АКТразработке структурной схемы маршрутного технологического процессанормированию показателей вибрации для управления виброактивностью МРСпо снижению виброактивности ТОприменению упруго-демпфирующих опор закрытого типаоптимизации конструктивной схемы станка.

4.1 Рекомендации по разработке структурной схемы маршрутного технологического процесса.

Структурная схема технологического процесса (ССТП) формируется на основе образно-знаковых моделей в форме станочных конфигураторов, описывающих характеристики каждого станка, участвующего в технологическом процессе. ССТП формируется на основе показателей геометрической, технологической, параметрической точности, вибрации, качества обработки деталей.

Для отображения последовательности выполнения операций следует использовать станочные конфигураторы, расположенных в порядке прохождения технологических операций. Последовательное, параллельное или комбинированное расположение станочных конфигураторов дает представление о структуре технологического процесса изготовления детали.

ССТП при использовании новых станков и при применении модернизированных и эксплуатируемых станков может оформляться с разными требованиями точности и виброактивности, так, как параметры геометрической точности новых станков указаны с ужесточением 40% регламентированных ГОСТ 7599 с учетом требований ГОСТ 8. Заводские сдаточные нормы допускают меньшие отклонения по допускам формы и расположения поверхностей. Нормы геометрической точности импортных станков регламентированы стандартами ISO 230−2 с учетом ISO.

9001 и международными рекомендациями. ССТП представляет станочные системы с достаточным информационным обеспечением, позволяющим принять объективное и своевременное решение о качестве ведения технологического процесса, что способствует росту эффективности производства изделий.

4.2 Рекомендации по нормированию компонент вибрации.

По действующим стандартам России и других стран качественными показателями, адекватно отражающими техническое, динамическое и физическое состояние МРС принимают три компоненты вибрации: виброперемещение, виброскорость, виброускорение. Так же предлагается использование добротности станка, как параметра включающего в себя компоненты вибрации. В качестве характерных точек, для измерения вибрации предлагается принимать корпусные поверхности в зоне подшипниковых опор, в двух взаимно перпендикулярных поперечном и осевом направлениях по отношению к оси шпинделя около режущего инструмента, а также поверхности плоскостей столов и их направляющих. По ГОСТ 12.1.012 к этим поверхностям относятся еще и место контакта станины с фундаментом.

Использование высоких прецизионных технологий высокоскоростной механической обработки деталей подводит к необходимости снижения виброкомпонент МРС. Это в свою очередь ведет к критической технологии, то есть к переходу от старого принципа к новому, при котором создается кризис со сменной поколения техники и технологии. Переход от одной группы процессов к новой группе создает технологический разрыв [124, 125, 126, 127]. На рисунке 4.1 представлена у — образная закономерность развития станков фрезерной группы нормального класса точности, на которой наблюдается технологический разрыв при смене поколения МРС. Анализируя у — образную закономерность можно сделать вывод что, начиная с 1990 года в металлорежущих станках второго поколения наблюдается, увеличение виброскорости по сравнению со станками первого поколения, это явление связано с увеличением частот вращения МГД в станках послежнего поколения.

Проработка конструкций МРС, проведенная в данной работе, а также экспериментальные исследования и теоретический анализ показали целесообразность нормирования компонент вибрации. Различные МРС эксплуатируются в широком диапазоне режимов резания. Вибрация существенно зависит от технических характеристик станка и от его класса точности.

1940 1960 1980 1990 2000 2010 2020 год а—МРС 2 поколения —&diams-—МРС 1 поколения.

Рисунок 4.1 — Закономерность развития фрезерных станков, нормального класса точности.

Предлагаемые классы вибрации фрезерных станков с нормируемыми компонентами вибрации в зависимости от классов точности станков приведены в табли-це4.1.

Заключение

.

1 В диссертационной работе раскрыты принципы формирования качества и точности деталей в технологии производства изделий авиационно-космической техники на основе синтеза функций компонент вибрации шпиндельных сборок станков.

2 Построены новые математические модели связи шероховатости и точности обработки деталей с компонентами вибрации технологического оборудования, позволяющие оценивать технологический процесс на стадии технологической подготовки производства.

3 Подтверждена выдвинутая гипотеза о существовании связи допусков формы и расположения обработанных поверхностей и компонент вибрации технологического оборудования, на основе которой разработаны параметрические функции для анализа технологии производства изделий АКТ.

4 Составлена образно-знаковая модель маршрутного технологического процесса в станочных конфигураторах с тремя системными модулями геометрической, параметрической и технологической точности, обеспечивающая рациональный выбор технологического оборудования по параметрам точности, жесткости, вибрации.

5 Разработаны математические модели компонент вибрации и добротности динамической системы, позволяющие анализировать адекватность назначения и соответствия технологического оборудования требованиям производственного процесса изготовления изделий АКТ.

6 Предложен аппарат синтеза технологического процесса и конструкции технологического оборудования с управляемой вибрацией.

7 Создана прикладная программа расчета «Велоракс», позволяющая анализировать компоненты вибрации металлорежущих станков по сборочным чертежам механизма главного движения. Разработанная программа верифицирована и используется при анализе технических решений в СибГАУ и КБ. Основные материалы исследования внедрены в учебный процесс для специальности 151 001 «Технология машиностроения».

8 Разработаны рекомендации: по разработке образно-знаковой модели маршрутного технологического процесса с функциональным анализом характеристик шероховатости и точностипо регламентированию компонент вибрации фрезерных станковприменению упругодемпфирующих опор закрытого типа в шпиндельных сборках технологического оборудования.

9 Разработанные рекомендации по снижению виброактивности конструкции фрезерного станка внедрены на ФГУП «Красмаш» с экономическим эффектом 16,0 тыс. руб. на один станок.