Повышение производительности и обеспечение функциональной надежности непрерывного резания путем оперативного управления процессом обработки

Современное машиностроение характеризуется тенденцией снижения доли массового производства машин и значительным увеличением доли мелкосерийного и единичного многономенклатурного производства. В настоящее время доля мелкосерийного и единичного производства в машиностроении составляет по некоторым данным 60−70% [1].

Идеология автоматизации мелкосерийного машиностроительного производства все больше ориентируется на осуществление концепции гибкой автоматизации. При этом подразумевается использование станков с ЧПУ наибольшей гибкости для автоматизированного изготовления большого количества разнообразных деталей без непосредственного участия оператора, с минимальным объемом наладочных работ.

Переход от отдельных станков с ЧПУ к автоматизированным комплексам решает задачу повышения эффективности оборудования с ЧПУ в 2 — 3 раза за счет резкого сокращения времени переналадки его на выпуск другой продукции [2]. Вместе с тем оператор должен освобождаться от монотонных работ, связанных с необходимостью постоянного наблюдения за работой станка. Эти его функции передаются специализированным системам обеспечения надежности.

Однако, при существующих ценах многоцелевых станков, роботов и других компонентов гибких производственных систем, их эксплуатация в одну смену ничего, кроме чистого убытка не даёт, и дать не может. Во многих случаях не спасает положение и двухсменная работа. Только при полноценной трехсменной работе в автоматизированном режиме, а так же при непрерывной круглогодичной эксплуатации без выходных и праздников, эта прогрессивная техника даст заметный экономический эффект. Это подтверждает не только наш, отечественный опыт, но и опыт всех промышленных стран, внедряющих роботы и гибкие производственные системы.

Высокая стоимость оборудования ГПС предъявляет повышенные требования к таким экономическим показателям, как коэффициенты сменности и загрузки станков с ЧПУ, а также значительно увеличивает стоимость станкоминуты. Если стоимость станкоминуты работы универсального станка принять за 1, то у станка с ЧПУ она увеличится в 1.4.11,5 раз, а при работе станка в составе ГПС в 5.50 раз [3]. Высокая стоимость станкоминуты вызывает необходимость интенсифицировать процессы механической обработки по сравнению с обработкой на универсальном оборудовании.

Вместе с тем в настоящее время, как следует из опыта эксплуатации ГПС, с целью обеспечения надежности технологического процесса с ограниченным участием оператора, режим резания назначается, как правило, на 70.80% ниже нормативного даже для универсальных станков. При этом расчетный период стойкости составляет 60. 120 минут, что, безусловно, не может считаться оптимальным ни для станков с ЧПУ, ни, тем более для ГПС, с учетом возросшей стоимости их станкоминуты [3].

Отсюда одним из острых вопросов, определяющих эффективность гибких производственных систем металлообработки является повышение производительности и надежности оборудования при его эксплуатации в автоматическом режиме. По мнению большинства специалистов на первом этапе оборудование ГПС должно обеспечивать наработку на отказ не менее 100 — 150 часов [4]. Для сравнения, в существующих автоматических линиях массового производства, вероятность бесперебойной работы более часа практически равна нулю. Таким образом, обеспечение производительности и надежности эксплуатации оборудования в автоматическом режиме при ограниченном участии оператора является важной задачей.

Исследования и производственный опыт показывают, что наибольшая доля отказов автоматических линий массового производства связана с отказами режущих инструментов. Инструмент — особый элемент технологической системы механической обработки, характеризующийся повышенными нагрузками на его режущую часть, что вызывает многообразные виды повреждений, связанных с износом, поломками, выкрашиванием режущей кромки и др. При этом скорость изнашивания инструмента значительно выше скорости изнашивания деталей и узлов технологического оборудования (станков, приспособлений и т. д.). Изнашивание инструмента, в отличие от других повреждений, обязательно приведет к отказу технологической системы в целом, если не будет выполнена его предупредительная замена на дублирующий [5].

В общем числе нарушений работоспособности многоцелевых станков с ЧПУ, устраняемых оператором, доля отказов режущего инструмента, по данным разных литературных источников, составляет, в зависимости от условий эксплуатации от 23% до 63% [3−5]. Следовательно, режущий инструмент является одним из основных элементов, определяющих работоспособность многоцелевого станка и технологической системы в целом. Поэтому надежность инструмента, как главного элемента, определяющего работоспособное состояние технологической системы, изучается не только в комплексе со всеми ее другими элементами, но и независимо от них. При чистовой обработке рассматривают отказы по параметрам качества обработанной поверхности, при черновой — по функциональным параметрам.

В настоящее время разброс стойкости отечественного инструмента является весьма значительным. Это обусловлено не только качеством изготовления и термической обработки самого металлорежущего инструмента, но и возможными, порой весьма значительными колебаниями размеров и физико-механических свойств обрабатываемых заготовок. Поэтому при использовании в качестве расчетного ресурса гамма-процентной стойкости большинство, в том числе и лимитирующий инструмент фактически недорабатывают свой реальный ресурс. При этом лимитирующий инструмент использует лишь часть своего фактического ресурса. Остальные инструменты, принудительно заменяемые во время плановых остановок автоматической линии не дорабатывают даже свою гамма-процентную стойкость.

Повышение надежности технологических систем металлообработки возможно за счет повышения надежности режущих инструментов путем использования инструментов высокого качества в том числе с износостойкими покрытиями. При этом также необходимо стремиться к стабилизации физико-механических свойств материала заготовок, припусков на обработку, других условий эксплуатации инструментов. При таком подходе надежность технологических систем металлообработки в значительной степени определяется надежностью режущего инструмента, а также стабильностью размеров и физико-механических свойств материала заготовок.

Другой подход к обеспечению надежности технологических систем состоит в использовании систем оперативного управления режимами резания в течение рабочего хода инструмента. Возможность такого оперативного управления обеспечивается наличием свободных вычислительных мощностей в современных системах ЧПУ станков и использование на них приводов с бесступенчатым регулированием частоты вращения электроприводов главного движения и движения подачи. В этом случае надежность операций обработки будет определяться надежностью систем оперативного управления, работающих в автоматическом режиме.

Такой подход имеет ряд преимуществ:

— возможность применения рыночного инструмента;

— более полное использование ресурса инструментов без перехода их в зону катастрофического износа;

— возможность обработки заготовок с неоднородными припусками и физико-механическими свойствами материала;

— возможность работы на рациональных, вплоть до максимальных для каждой операции режимах резания.

Для этого современные технологические системы должны оснащаться системами диагностирования процесса резания, оборудования и режущих инструментов, а также системами оперативного управления режимами резания в процессе обработки.

В гибких производственных системах поступление деталей на обработку в случайной последовательности определяет возможность эксплуатации инструментов с переменными в течение одного периода стойкости режимами резания. Поэтому системы диагностирования процесса резания и оперативного управления режимами обработки должны быть ориентированы на использование рыночного инструмента при возможных изменениях от инструмента к инструменту параметров его начального состояния. Эти системы должны учитывать также возможные изменения от заготовки к заготовке величины припуска на обработку и физико-механических свойств обрабатываемого материала и осуществлять функционирование на различных, в том числе переменных в течение рабочего хода режимах резания.

В ряде случаев, например при изготовлении длинных валов, в судовой или бумагоделательной промышленности, когда вся поверхность детали должна быть обработана одним инструментом за один проход, машинное время обработки может составлять десятки часов. В этом случае, при изменении условий резания, связанных с износом инструмента, или колебаниями параметров заготовок, обеспечение надежности, при обработке на постоянных режимах резания практически невозможно.

Поэтому повышение производительности и обеспечение функциональной надежности обработки при непрерывном резании путем оперативного управления на основе многопараметрического диагностирования в условиях возможных изменений параметров начального состояния инструментов, а также размеров и физико-механических свойств обрабатываемой заготовки является актуальной научно-технической проблемой.

Настоящая работа является продолжением выполняемых на кафедре ВТО МГТУ «Станкин» исследований по указанному проекту и посвящена вопросам переработки информации, полученной путем диагностирования и мониторинга состояния процесса резания, с целью формирования решения по коррекции режимов резания в процессе обработки. Коррекция режимов резания в процессе обработки деталей обусловлена необходимостью обеспечения надежности технологической системы при изменяющихся условиях обработки: износа инструмента, возможных колебания припуска, физико-механических свойств обрабатываемого материала и др.

Предметом исследования в данной диссертационной работе были операции непрерывного резания. Инструмент с одной режущей кромкой и непрерывным резанием — токарный резец. Инструмент с несколькими режущими кромками и непрерывным резанием — сверло, зенкер, развертка.

Цель работы. Повышение производительности обработки и обеспечение функциональной надежности системы непрерывного резания путем оперативного управления на основе стабилизации на предельно допустимом уровне значения максимальной температуры на рабочих поверхностях инструмента, фиксируемой в реальном времени посредством многопараметрического диагностирования состояния инструмента и заготовки, а также измерения мощности резания.

Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:

— проанализировать структуру системы резания с целью выявления воздействующих на нее факторов и описывающих ее состояние параметров;

— выявить возможные изменения переменных факторов процесса резания в течение периода стойкости инструментаустановить параметры процесса резания, определяющие его функциональную надежность, а также методы их контроля;

— установить связи параметров процесса резания, определяющих его функциональную надежность с факторами процесса резания;

— разработать метод многопараметрического диагностирования процесса резания с использованием необходимого и достаточного количества фиксирующих устройств, устанавливаемых на станок;

— разработать модель оперативного управления процессом резания путем изменения режимов резания в течение рабочего хода лезвийного инструмента.

Методы исследований. Теоретические исследования основываются на базовых положениях теории резания материалов, методах математического и компьютерного моделирования. Экспериментальные исследования проводили в лабораторных и производственных условиях с использованием современного станочного оборудования и измерительных средств. При обработке результатов экспериментов использовали средства вычислительной техники с применением положений теорий вероятности и планирования экспериментов.

Научная новизна работы заключается в:

— модели оперативного управления процессом непрерывного резания, обеспечивающей максимальную производительность и функциональную надежность обработки путем стабилизации максимальной температуры на рабочих поверхностях инструмента;

— связях температурных полей в очагах превалирующего износа инструментов с режимами резания, свойствами материала заготовки, величиной износа инструмента;

— функциональных зависимостях крутящего момента, осевой силы и максимальной температуры у периферийной части осевого инструмента, учитывающих влияние величины износа инструментов, режимов резания и свойств обрабатываемого материаламетоде многопараметрического диагностирования на основе распознавания возмущающих факторов процесса резания, к числу которых отнесены параметры состояния инструмента и свойства материала заготовки;

— обобщенной модели управления процессом резания на основе диагностирования состояния инструмента и обрабатываемой заготовки с последующей коррекцией режима резания с целью обеспечения максимальной производительности обработки.

Практическая ценность состоит в:

— программном комплексе для многопараметрического диагностирования состояния инструмента и заготовки, основанном на одновременном измерении и комплексном анализе диагностических признаков, число которых равно числу возмущающих факторов, воздействующих на процесс резания;

— опытном образце блока управления приводом станка, предназначенного для использования, как на универсальных станках, так и на станках с ЧПУ с целью повышения производительности и обеспечения функциональной надежности процесса непрерывного резания;

— рекомендациях по повышению стойкости инструмента в процессе непрерывного резания в условиях переменных, в течение периода стойкости инструмента, режимов резания;

— методике определения допустимого износа осевых инструментов при обработке серого чугуна различной твердости в широком диапазоне режимов резания.

— методике обеспечения обоснованных режимов резания при эксплуатации инструмента на режиме максимальной производительности.

Реализация результатов работы.

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» по заданию Минобрнауки России № 2.1.2/12 315 от 07.02.2011 на проведение НИР «Научно-методические основы создания и применения систем диагностирования и мониторинга состояния в реальном времени прогрессивных технологических процессов металлообработки», а также в рамках государственного контракта с Минобрнауки России № 16.552.11.7071 от 12.07.2012 г. по теме «Проведение в ЦКП „Государственный инжиниринговый центр“ комплексных исследований в области разработки и практической реализации инновационных информационно-управляющих систем для диагностирования состояния и повышения эксплуатационной надежности ответственных технологических систем в машиностроении и металлообработке» .

Разработанный образец системы оперативного регулирования процесса резания показал положительный результат при испытаниях на Новгородском машиностроительном заводе «Энергия», машиностроительном предприятии ООО «Сатурн», опытном производстве Технологического Центра ООО «КамАЗ», ЗАО «Ремдизель» — г. Набережные Челны, ОАО «Красногорский завод им. Зверева» — г. Красногорск и ряда других предприятий.

Результаты работы используются в учебном процессе в ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» и других вузах в рамках преподавания дисциплины «Надежность и диагностика технологических систем» .

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных и всероссийских научно-технических конференциях «Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства» — Тольятти 2011 г., «Проблемы исследования и проектирования машин» — Пенза 2011 г., «Системы управления жизненным циклом изделий авиационной техники: актуальные проблемы, исследования, опыт внедрения и перспективы развития» — Ульяновск 2012 г., «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении» ИМАШ РАН, Москва 2012 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 научных работ, в том числе 13 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 патент России на полезную модель, 1 монография.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (96 наименований) и приложения. Общий объем диссертации 312 страниц, включая 64 рисунка и 9 таблиц.

ОБЩИЕ НАУЧНЫЕ ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

В работе решена крупная научно-техническая проблема, имеющая важное народнохозяйственное значение и состоящая в повышении производительности и обеспечении надежности процесса непрерывного резания путем оперативного управления, основанного на стабилизации максимальной температуры на рабочих поверхностях инструмента на предельно допустимом уровне посредством косвенных измерений мощности резания, а также многопараметрического диагностирования состояния инструмента и заготовки в реальном времени.

Основные научные выводы и практические результаты заключаются в следующем.

1. Разработан метод оперативного управления процессом непрерывного резания, обеспечивающий возможность повышения производительности резания вплоть до предельных значений, при обеспечении функциональной надежности технологических систем металлообработки.

2. Установлены связи температурных полей в очагах превалирующего износа инструментов с режимом резания, физико-механическими свойствами материала заготовок и величиной износа инструментов, позволившие выявить месторасположение на режущей части инструмента точки с максимальной температурой. Разработанная формула максимальной температуры режущей части инструмента используется при оперативном управлении процессом резания путем ее стабилизации без непосредственного измерения на станке в процессе обработки. возмущающими факторами процесса резания — износ инструмента и твердость обрабатываемого материала, используемые для многопараметрического диагностирования состояния инструмента и заготовки.

4. На основе установленных связей крутящего момента и осевой силы с факторами процесса резания разработан метод многопараметрического диагностирования для сверления и зенкерования серого чугуна. Обоснована необходимость контроля такого необходимого и достаточного количества параметров процесса резания, используемых в качестве диагностических признаков, которое равно числу неизвестных возмущающих факторовизноса инструмента и твердости обрабатываемого материала. Вычисление значений этих возмущающих факторов осуществляется путем решения системы такого же количества уравнений. Использование разработанного метода позволяет определять значения остальных параметров процесса резания даже без их непосредственного измерения на станке в процессе обработки.

5. Разработана принципиальная схема управления процессом обработки заготовок при непрерывном резании на основе диагностирования его состояния, позволяющая, при ее реализации, как на универсальных металлорежущих станках, так и станках с ЧПУ, повысить производительность резания по сравнению с действующими режимами резания от 1.5 до 2-х раз.

6. Разработана методика назначения режимов резания при эксплуатации инструмента на режиме максимальной производительности и показана возможность эксплуатации инструментов на этом режиме при наличии системы оперативного управления. от текущего состояния инструмента и заготовки с целью обеспечения функциональной надежности технологической системы.

8.Разработанные принципы многопараметрического диагностирования и оперативного управления процессом резания используются в учебном процессе в ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» и ряда других вузов в рамках преподавания дисциплины «Надежность и диагностика технологических систем» .

9. Созданный образец установки с системой оперативного управления процессом резания прошел испытания и показал положительный результат на Новгородском машиностроительном заводе «Энергия», машиностроительном предприятии ООО «Сатурн», опытном производстве Технологического Центра ООО «КамАЗ», ЗАО «Ремдизель» — г. Набережные Челны, ОАО «Красногорский завод им. Зверева» — г. Красногорск.