Підвищення продуктивності технологічних систем роторного типу, оснащених комбінованим інструментом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Підвищення продуктивності технологічних систем роторного типу, оснащених комбінованим інструментом

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Одним із шляхів підвищення ефективності машинобудівного виробництва є його автоматизація на базі технологічних систем (ТС) роторного типу. Такі системи мають високий рівень автоматизації, що дозволяє їм забезпечити високу продуктивність при одночасному скороченні виробничих площ, зменшенні кількості робітників та зниженні собівартості продукції. Традиційно ТС даного типу оснащуються одномірним інструментом. Це призводить до збільшення довжини технологічного ланцюга, а отже і до зростання кількості відмов та простїв обладнання. Зменшити довжину технологічного ланцюга можливо за рахунок концентрації переходів на базі комбінованих інструментів (КІ). Для ТС роторного типу характерним є високий рівень концентрації операцій, що при одночасній концентрації переходів призводить до зростання силових навантажень на технологічні ротори (ТР), а отже, до зниження точності обробки. При обробці отворів КІ знімається великий об'єм стружки. Що ускладнює її транспортування з зони обробки та призводить до викришування різальних лез інструментів, а інколи і до їх поломки. Поломки інструментів викликають простої обладнання, які пов'язані із заміною інструмента. Відмови в роботі ТС, пов'язані з роботою КІ, обмежують його застосування. Вирішити задачу підвищення ефективності роботи ТС можливо за рахунок застосування КІ в роторних машинах на основі нових способів обробки ступінчатих отворів. В роботі доцільність їх використання досягається на основі методів математичного моделювання робочих процесів та структурного аналізу ТС. Актуальність задачі підтверджується тим, що на ТС обробляються близько 75% поверхонь, що мають форму отворів, до 90% яких можуть оброблятися осьовим КІ. Усунення відмов при роботі осьовим КІ гарантує значне підвищення ефективності роботи не тільки роторних машин, але й інших видів обладнання, що оснащується цим видом інструментів.

Мета роботи: підвищення продуктивності обробки ступінчатих отворів на технологічних системах роторного типу, оснащених комбінованим інструментом на основі нового способу обробки, що усуває викришування різальних лез інструмента.

Для реалізації поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

1. Визначити вплив форм ступінчатих отворів на конструктивні параметри осьових КІ та схеми різання.

2. Встановити вплив виду інструмента на структуру технологічної системи роторного типу.

3. Розробити математичну модель визначення пружних переміщень осі одномірних інструментів та КІ.

4. Виконати експериментальні дослідження щодо визначення впливу виду інструмента (одномірного і КІ) на точність обробки отворів.

5. Визначити експериментально вплив величини подачі і похибки заточки КІ на точність обробки отворів.

6. Розробити новий спосіб обробки ступінчатих отворів, що виключає викришування різальних лез КІ при врізанні наступних ступенів.

7. Виконати експерименти та порівняти стійкості одномірних та КІ, які працюють за існуючим способом та за запропонованим.

8. На базі структурно-логічної моделі визначити вплив схеми різання та способу обробки на структуру ТС.

9. Встановити вплив виду інструмента та схеми різання на технологічну та циклову продуктивність.

10. Визначити вплив конструктивних параметрів технологічного ротора та частоти його обертання на фактичну продуктивність технологічної системи.

11. Визначити вплив конструктивних параметрів та режимів роботи роторної лінії на її фактичну продуктивність.

12. Розробити рекомендації з проектування технологічних систем роторного типу на основі КІ, які працюють за новим способом.

Методи досліджень. Об'єктом досліджень в дисертаційній роботі є елементи, що складають ТС роторного типу (інструмент, робочі процеси, інструментальні блоки, технологічні та транспортні ротори).

Предметом досліджень є функціональні зв'язки між видом інструмента, способом обробки, продуктивністю та структурою ТС роторного типу.

Дослідження проводилися з використанням математичних моделей, адекватність яких перевірялася експериментально.

Наукова новизна, виконаних досліджень

1. Запропонований та запатентований новий спосіб обробки ступінчатих отворів, що усуває викришування різальних лез КІ та підвищує стійкість інструмента, ґрунтується на тому, що рух стружки, яка виходить з-під попереднього ступеня, в період врізання наступного, переривається на час

комбінований інструмент технологічний різання

.

2. Встановлено, що форма ступінчатих отворів, які обробляються, визначає вид інструмента, схему різання, та продуктивність обробки, при цьому максимальна кількість можливих варіантів отримання ступінчатих отворів при комбінованій схемі різання пропорційна числу ступенів n, тобто . Це є подальшим продовженням, виконаних раніше досліджень.

3. На підставі структурно-логічної принципової кінематичної схеми технологічного впливу вперше встановлено, що запропонований спосіб обробки ступінчатих отворів не впливає на кінематику технологічного руху, тобто на процес формоутворення - основну технологічну функцію системи. Також встановлено, що структура технологічних систем роторного типу визначається кількістью ступенів КІ.

4. На базі математичної моделі, визначено функціональний зв'язок між дійсною продуктивністю та конструктивними параметрами технологічного ротора, вперше встановлено, що збільшення частоти його обертання носить подвійний характер, з одного боку призводить до зростання продуктивності, з іншого, виходячи з динамічних характеристик ротора, вимагає зменшення його діаметра, а отже, зниження продуктивності.

Практична цінність досліджень:

- запропонована модель пружних переміщень ступінчатих інструментів перемінної жорсткості дозволяє прогнозувати очікувану точність обробки ступінчатих отворів не звертаючись до експериментальних досліджень;

- розроблений новий спосіб обробки ступінчатих отворів КІ дозволяє усунути попадання стружки під другий ступінь при його врізанні, що виключає викришування різальних лез, а отже, забезпечує підвищення стійкості інструмента на 14,5%;

- оснащення ТС роторного типу КІ дозволяє зменшити число технологічних, а отже й транспортних роторів на величину при одночасному збільшенні продуктивності ТС на 6,3%;

- розроблені рекомендації з проектування ТС роторного типу на базі КІ, використані на заводах вугільного машинобудування України. Очікуваний річний економічний ефект від впровадження рекомендацій складе 44000 грн.

Особистий внесок. Основні положення та результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно.

Особистий внесок пошукувача в роботах [1, 2, 6], виконаних у співавторстві: в роботі [1] автору належить структурно-логічна модель процесу формооутворювання поверхонь; в роботі [2] - теоретичне обгрунтування та експериментальна перевірка нового способу обробки ступінчатих отворів КІ, що усуває викришування різальних лез; в роботі [6] - визначення часу припинення руху подачі перед врізанням другого та наступних ступенів КІ і основна ідея способу.

Зв'язок роботи з науковими програмами кафедри

Виконана робота є складковою частиною наукових досліджень кафедри за такими напрямками:

- розробка теорії проектування комбінованих інструментів;

- розвиток теорії проектування технологічних систем безперервної дії.

Апробація роботи. Основні положення і результати роботи доповідалися на 3-х міжнародних і 2-х науково-технічних конференціях в мм. Києві та Севастополі в 1994-1997 рр. Робота обговорена і схвалена на науково-технічному семінарі кафедри «Металорізальні верстати та інструменти» ДонДТУ, протокол №19 від 11.06.98.

Публікації. Основний зміст роботи відображений в 5 наукових статтях, 5 тезах доповідей, позитивному рішенні на новий спосіб обробки ступінчатих отворів.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновку, переліку посилань, що містить 111 назв, додатків. Обсяг роботи складає 199 сторінок основної частини, додатків - 8, 35 сторінок, рисунків - 46, таблиць - 17.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, стисло сформульовані її мета та задачі.

В першому розділі виконаний аналіз досліджень, визначена мета роботи та задачі досліджень.

Застосування КІ для ТС роторного типу дозволяє значно підвищити їхню продуктивність. Існуючі роторні машини, що оснащуються одномірними інструментами, забезпечують високу продуктивність за рахунок концентрації операцій, але збільшення довжини кінематичного ланцюга призводить до зростання кількості відмов в роботі ТС. Оснащення ТС роторного типу КІ забезпечує крім високої концентрації операцій, ще й високу концентрацію переходів. Однак, при роботі КІ за існуючим нині способом спостерігаються відмови в роботі ТС, насамперед пов'язані з викришуванням різальних лез інструментів наступних ступенів. Це пов'язане з попаданням стружки, що виходить з-під попередніх ступенів, під різальні леза наступних.

Іншим істотним недоліком роботи КІ є розбивання отворів, яке пов'язане з високою концентрацією сил різання.

Аналіз показує, що не визначений вплив виду осьового комбінованого інструменту на структуру та продуктивність ТС роторного типу.

В другому розділі роботи визначений вплив ступінчатих та одномірних свердл на точність обробки отворів. Встановлено, як впливає спосіб обробки та вид інструмента на його стійкість.

Для усунення викришування різальних лез запропонований та запатентований новий спосіб обробки ступінчатих отворів комбінованими свердлами, який започаткований на тому, що в період врізання другого ступеня свердла припиняється рух стружки, яка виходить з-під першого ступеня. Це досягається за рахунок того, що свердлу надається тільки обертальний рух та припиняється поступальний на час, що визначається у відповідності з

, (1)

де - шлях врізання інструмента; D- величина підвіду інструмента; - діаметр ступеня КІ, що врізається, - величина врізання різальної частини; s - величина подачі на оберт; - швидкість різання (рис. 1).

При такому способі обробки ступінчатих отворів другий ступінь свердла врізається в матеріал, коли стружка з-під першого ступеня не дійшла до другого.

а) б) в)

Рис. 1 - Схема роботи КІ за способом, що пропонується:

а) робота першого ступеня КІ; б) зупинення поступального руху (подачі) перед врізанням наступного ступеня КІ; в) робота другого ступеня КІ.

Виконані експериментальні дослідження по визначенню стійкості ступінчатих свердл, працюючих за існуючим способом, показали, що при обробці ступінчатих отворів типу гайка (Ж10,2/12,4 мм, =8 мм, =5 мм) відмови, пов'язані з інструментом, розподіляються так:

- відмови, із-за поломки лапки хвостовика - 10%;

- відмови, із-за викришування різальних лез на другому ступені - 20%;

- відмови, із-за зносу першого ступеня - 70%.

При роботі за новим способом, відмови інструмента визначаються зносом тільки першого ступеня.

Виконані експериментальні дослідження показали, що робота КІ за новим способом забезпечує підвищення стійкості ступінчатих свердл, у порівнянні з працюючими за нині існуючим способом, на 14,5%. Для визначення впливу виду інструмента на точність обробки ступінчатих отворів розроблена математична модель пружних переміщень осі КІ від дії осьових та радіальних сил. На даному етапі досліджень прийнято, що довжина ступеня свердла більше чи рівна кроку стружкової канавки. Це дозволяє прийняти припущення, що середня жорсткість свердла визначається

(2)

де - максимальна та мінімальна жорсткість свердла; С - середнє значення жорсткості.

Тоді величина пружних переміщень свердла визначиться залежністю

, (3)

де ;

;

;

- умовний момент інерції свердла;

- головні моменти інерції свердла в напрямку відповідних координат;

Е - модуль пружності матеріалу свердла, у даному випадку сталі Р6М5, 63-65;

; - осьова сила на першому ступені;

; l=; ;

- радіальні неврівноважені сили на різальному лезі першого та другого ступенів.

Тоді кут повороту осі двоступінчатого свердла на початку координат визначиться залежністю

, (4)

де ;

;

.

На підставі чисельного аналізу рівняння (3), встановлено, що найбільший вплив на переміщення осі інструмента, а отже і розбивання отворів виявляють радіальні неврівноважені сили, поява яких викликана похибками заточки інструмента. Аналіз показав, що підвищити точність обробки можливо за рахунок зменшення похибки заточки інструмента. Збільшення довжини ступеня свердла також призводить до зростання пружних переміщень осі КІ (рис. 2).

Збільшення подачі від 0,05 до 0,25 мм/об істотного впливу на розбивання отворів не виявляє.

Для перевірки адекватності моделі виконані експериментальні дослідження точності обробки отворів на токарному шестишпіндельному автоматі, моделі 1Б265Н-6К.

Максимальна величина похибки між експериментальними та розрахунковими значеннями розбивання отворів складала 15%.

Аналіз формооутворювання, виконаний у третьому розділі, на базі структурно-логічних моделей показав, що ступінчаті отвори можуть бути сформовані осьовим КІ лише на основі безперервного способу формооутворювання.

Отвори, що обробляються n-ступінчатими КІ, можуть бути представлені як об'єднання окремих ступенів

, (5)

де - поверхня i-ого ступеня отвору; n - число ступенів отвору.

Встановлено, що оснащення одношпіндельного верстата КІ при послідовнії схемі різання забезпечує підвищення лише циклової продуктивності, у порівнянні з



Рис. 2 - Переміщення кінця двоступінчастого свердла при

мм, мм, мм/об, мм

одномірним інструментом, причому це досягається за рахунок скорочення часу на підвід та відвід інструмента. Паралельна та комбінована схеми різання забезпечують підвищення як циклової, так і технологічної продуктивності. Паралельна схема різання в чистому вигляді зустрічається вкрай рідко, бо довжини ступенів отворів практично не рівні один одному. У більшості випадків інструменти працюють за комбінованою схемою різання. Встановлено, що максимальна кількість можливих комбінацій роботи КІ при комбінованій схемі різання визначається співвідношенням довжини ступенів отвору та часом вступу, а також часом виходу різальних лез з отвору і складає .

В четвертому розділі виконані дослідження з визначення впливу виду інструмента і способу обробки на структуру та фактичну продуктивність ТС роторного типу.

Аналіз впливу схеми різання, виду інструмента та способу обробки ступінчатих отворів на структуру ТС, виконаний на базі структурно-логічної моделі принципової кінематичної схеми технологічного впливу, вид якої для нового способу обробки представлено залежністю

+ (6)

++,

де - група усіх рухів ТС; - група усіх рухів не оснащених КІ;

- група усіх рухів, оснащенихКІ;

- група обертання, відповідна припиненню руху

подачі при новому способі роботи КІ.

Аналіз залежності (6) показує, що запропонований спосіб обробки ступінчатих отворів не виявляє вплив на кінематику технологічного руху, тобто на процес формооутворювання - основну технологічну функцію системи. Необхідно також відзначити, що схема різання на групу обертання не впливає. В той час як група паралельних переносів афінного простору залежить від схеми різання. На базі моделі принципової функціонально-структурної схеми ТС встановлено, що оснащення ТС КІ принципового впливу на її функціональну структуру не виявляє. Система змінюється лише кількісно, якісної зміни функцій системи не відбувається.

Число технологічних роторів (ТР) при оснащенні ТС КІ визначиться залежністю, де - число технологічних роторів при обробці одномірними свердлами; - число ступенів, що формуються КІ. В тому випадку, якщо кількість КІ більше одиниці та рівна S, формула має вигляд

. (7)

При оснащенні ТС КІ, які працюють за новим способом, вимагають застосування гідравлічних приводів для інструментальних блоків. Причому застосування нового способу обробки вимагає також змін у роботі гідроприводу, які викликані потребою припинення поступального руху КІ в період врізання другого ступеня в матеріал, рис. 3

Рис. 3 - Діаграма переміщень інструмента ТР з гідроприводом для КІ, працюючого за новим способом:

- час припинення подачі КІ;

- час переключення гідроприводу

Це призводить до збільшення циклу обробки ступінчатих отворів, тому виникає потреба в дослідженні способу, що пропонується, на продуктивність. Аналіз показав, що скорочення кількості технологічних, а отже, і транспортних роторів при застосуванні КІ, які працюють за новим способом, призводить до збільшення діаметра технологічного ротора.

На основі динамічної моделі встановлено, що діаметр технологічного ротора обмежується його динамічними характеристиками. Дійсна продуктивність ТС, виходячи з динамічних характеристик ротора, визначиться

, (8)

де w- кутова швидкість обертального руху ротора; - коефіцієнт продуктивності; - крок ротора; - час основних та холостих ходів; Е - модуль пружности; I - осьовий момент інерції валу; g- питома вага матеріалу, з якого виготовлений ротор; g - прискорення вільного падіння тіла; d_А - допуск на обробку отвору деталі; d_В-допуск на діаметр валу; .

Аналіз рівняння (8) показує, що із збільшенням частоти обертів ротора, виходячи з точності обробки отворів, необхідно зменшити діаметр ротора чи зменшувати частоту його обертання, а це обмежує дійсну продуктивність ТС.

Ефективність будь-якої ТС можливо оцінити лише на підставі фактичної продуктивності, тобто з урахуванням кількості відмов. При обробці КІ очікувана фактична продуктивність визначиться залежністю

, (9)

де , , - величина зворотна параметрам відмов в результаті зносу інструмента; втрат деталей на вході лінії і в середині її; в транспортних приладах; ,,- параметри потоку відновлювань після відмов за вказаними вище причинами; - кількість позицій ТР, оснащеного одномірними інструментами; - кількість позицій ТР, оснащеного КІ.

З графіків, рис. 4, видно, що найбільший вплив на фактичну продуктивність виявляє число робочих позицій . Збільшення їхнього числа з 10 до 30 сприяє збільшенню продуктивності в 2,4 рази. В той час як збільшення кількості роторів призводить до зниження продуктивності в 1,5 рази. Це пов'язане з накладенням відмов в ТС при збільшенні кількості функціональних ланок. Застосування КІ дозволяє зменшити кількість технологічних роторів, а отже, і кількість транспортних, що забезпечує зменшення функціональних ланок, а відповідно, й підвищення фактичної продуктивності ТС. Збільшення стійкості інструмента в 1,8 рази істотного впливу на продуктивність не виявляє, але при цьому витрати на інструмент скорочуються практично в два рази.

Найбільш істотно на зростання продуктивності впливає скорочення часу робочих та холостих ходів, наприклад, зменшивши в 2,3 рази, фактична продуктивність підвищується до 1,8 рази. Враховуючи, що збільшення подачі з 0,05 до 0,25 мм/об не виявляє істотного впливу як на похибку обробки, так і на стійкість КІ, тому найбільш ефективний шлях збільшення фактичної продуктивності є за рахунок збільшення подачі. Але це можливо досягнути при підвищенні якості заточки інструмента.



Рис. 4 - Вплив конструктивних параметрів роторної лінії на фактичну продуктивність

Робота ТС, оснащеної КІ, якій працює за новим способом, при скороченні кількості ТР на одиницю підвищує фактичну продуктивність на 6,3% у порівнянні з ТС, оснащеною одномірними інструментами. При роботі КІ за існуючим способом продуктивність підвищується на 8% при відповідному скороченні числа роторів. Втрата продуктивності на 1,7% при новому способі обробки ступінчатих отворів пов'язана з відключенням поступального руху КІ при врізанні другого ступеня. Це забезпечує підвищення стійкості КІ на 14,5% в лабораторних умовах, а у виробничих до 30%.

В п'ятому розділі виконаний аналіз результатів впровадження досліджень та визначена їхня економічна ефективність. На основі теоретичних та експериментальних досліджень розроблені рекомендації з проектування технологічних систем роторного типу на базі комбінованих інструментів, які працюють за новим способом обробки. Розроблені рекомендації впроваджені на Горлівському машинобудівному заводі та використовуються ДонПКТІ при розробці технологічних систем роторного типу для заводів вугільного машинобудування України. Очікуваний економічний ефект від впровадження нового способу обробки ступінчатих отворів складе 44000 грн.

Основні висновки

1. На підставі структурно-логічної моделі процесу формооутворювання поверхонь одержані теоретичні залежності, які дозволили встановити, що форма ступінчатих отворів та схема різання визначає вид інструмента й продуктивність обробки. При цьому кількість можливих варіантів обробки ступінчатих отворів при комбінованій схемі різання пропорційна кількості ступенів n та визначається залежністю .

2. Теоретично обгрунтований та експериментально перевірений новий спосіб обробки ступінчатих отворів осьовим комбінованим інструментом, що усуває попадання стружки, яка виходить з-під попереднього ступеня, під наступні. Це виключає викришування різальних лез, поломки інструмента і сприяє підвищенню його стійкості в середньому до 30%.

3. Отримані основні теоретичні закономірності для визначення пружних переміщень ступінчатих інструментів перемінної жорсткості під дією радіальної та осьових сил, що дозволяють керувати, а отже, і прогнозувати очікувану точність обробки отворів. Експериментальні дослідження показали, що погрішність між розрахунковими та експериментальними даними не перевищує 15%.

4. На підставі структурно-логічної моделі процесу формооутворювання кінематичної схеми технологічного впливу встановлено, що запропонований спосіб обробки ступінчатих отворів, оснований на зупиненні поступального руху комбінованого інструмента, перед врізанням другого та наступних ступенів, не виявляє впливу на кінематику технологічного руху, тобто на процес формооутворювання - основну технологічну функцію системи.

5. На підставі отриманих теоретичних закономірностей встановлено, що оснащення технологічної системи комбінованим інструментом принципового впливу на її функціональну структуру не виявляє, тобто система змінюється тільки кількісно, якісної зміни функцій системи не відбувається.

6. Розкриті закономірності дозволили встановити вплив не тільки режимних параметрів, але і динамічних характеристик технологічної системи на її дійсну продуктивність. Встановлено, що при збільшенні діаметра ротора від 200 до 300 мм частота обертання повинна зменшитися в середньому в 2 рази.

7. На підставі виконаних досліджень та розроблених теоретичних положень встановлено, що оснащення ТС ступінчатими свердлами, які працюють за новим способом, дозволяє підвищити продуктивність обробки в середньому на 6,3% при зменшенні кількості технологічних та транспортних роторів на одиницю. Це скорочує виробничі площі на 40%.

Впровадження результатів роботи на ВАС Горлівський машинобудівний завод дасть очікуваний річний економічний ефект 15000 грн, на ВАС ДонПКТІ - 29000 грн, сумарний очікуваний економічний ефект складає 44000 грн.

Основні публікації

1. Михайлов А.Н., Малышко И.И., Ищенко А.Л. Структурно-логическая модель процесса формообразования поверхностей при обработке комбинированным инструментом на технологических системах непрерывного действия // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Сб. науч. тр. - Донецк: ДонГТУ, 1995. - Вып.2. - С. 56-61.

2. Михайлов А.Н., Малышко И.И. Пути повышения надежности технологических систем непрерывного действия, оснащенных комбинированным инструментом // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Сб. науч. тр. - Донецк: ДонГТУ, 1996. - Вып 3. - С. 86-91.

3. Малышко И.И. Связь производительности и надежности технологических систем непрерывного действия, оснащенных осевым комбинированным инструментом // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Сб. науч. тр. - Донецк: ДонГТУ, 1997. - Вып 4. С. 81-86

4. Малышко И.И. Математическая модель упругих перемещений ступенчатого сверла // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Сб. науч. тр. - Донецк: ДонГТУ, 1998. - Вып. 5. - С 102-106.

5. Малышко И.И. Влияние параметров технологической системы на ее производительность // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Сб. науч. тр. - Донецк: ДонГТУ, 1998. - Вып. 5. - С. 98 - 102.

6. Михайлов О.М., Малишко І. І. Спосiб запобiгання поломкам ступiнчатого свердла. Заявка №96062307 від 11.06.96, позит. рішення 05.02.97.

Размещено на Allbest.ru

...