Наукові основи забезпечення параметричної надійності та динамічної якості технологічних систем прецизійної обробки

(20)

Рівняння (20) застосовується при А_max >А₁. Ця умова порушується, якщо А >рР_о/r, коли внаслідок наявності зони застою в нерухомих з'єднаннях зникає вплив сили сухого тертя на дисипацію.

Коли коефіцієнт зв'язності г наближається до свого граничного значення г₀, у розглянутій системі, виникають автоколивання з амплітудою:

На відміну від вимушених коливань автоколивання відбуваються з амплітудою, прямо пропорційною силі сухого тертя. Зі спільного розгляду умов виникнення автоколивань (самозбудження) і зовнішнього впливу отримані параметри системи

У роботі наведені дослідження з підвищення надійності та ефективності динамічних гасіїв коливань (ДГК) для ОРВ. Зокрема, для оптимальної настройки інерційного ДГК пропонується застосування гасія з елементом тертя, що різко розширює частотний діапазон його застосування, а значить, підвищує надійність віброгасіння.

Також розглянуто випадковий вплив на ДГК із тертям і визначені параметри ДГК, що забезпечують мінімум дисперсії випадкових коливань об'єкта.

Розглянута задача оптимального настроювання ДГК для гасіння параметричних резонансів (при жорсткості, яка періодично змінюється) і ударного ДГК із використанням в'язкого тертя.

Наведені в шостому розділі методи вибору оптимальних конструктивних параметрів ТС тонкого (обробного) точіння (розточування) використовуються при проектуванні та виготовлені ОРВ моделей ОС7393, ОС7394, ОС7220, а також верстатів з ЧПК моделей ОС1000, 2570ПМФ4. І, таким чином, при конструюванні ОРВ, а також при визначенні оптимальних режимів різання та технологічних регламентів впроваджені наведені розрахункові моделі, які відображають взаємодію процесів різної швидкості і дають змогу забезпечувати заданий рівень надійності ТС за параметром динамічної стійкості.

Впровадження результатів досліджень на машинобудівних і верстатобудівних підприємствах України дало змогу отримати загальний економічний ефект в обсязі більше 1 млн гривень.

У додатках наведені методики проведення експериментальних досліджень, тексти програм розрахунку, методика обґрунтування й вибору критеріїв оцінки якості верстатних систем і результати впровадження отриманих результатів.

ВИСНОВКИ

На основі виконання теоретичних і експериментальних досліджень ОРВ вирішена науково-технічна проблема по забезпеченню заданого рівня надійності за параме-тром динамічна якість ТС прецизійної обробки, яка базується на використанні оригінальних математичних моделей для розрахунку запасу динамічної стійкості, оцінювання взаємовпливу температурного фактору в зоні різання, зносу інструменту та динаміки процесу різання, а також розрахунку та прогнозування надійності ТС, що дозволяє оцінювати рівень динамічної якості верстату на етапі його проектування, а також вибирати оптимальні режими різання та технологічні регламенти, які забезпечують тривалий час цей рівень динамічної якості.

1. У роботі запропонована і реалізована наукова концепція сполучення методів проектування верстатів з методами удосконалювання динамічних розрахунків, заснованих на використанні математичного моделювання, вивченні й оптимізації фі-зико-механічних процесів при різанні, а також уточнених вихідних даних.

2. Розроблена оригінальна розрахункова модель для визначення запасу стійкості по відношенню А_різ/А_х.х. для прецизійних обробно-обточувальних верстатів. Дано рекомендації з визначення параметрів моделі й розроблена методологія розрахунків амплітуд вимушених коливань при різанні й амплітуд коливань холостого ходу. Використання розробленої моделі дозволяє на стані проектування визначати рівень динамічної якості верстату.

3. Експериментально вивчені вібрації холостого ходу гами ОРВ у різних умовах і визначені середні амплітуди коливань основних вузлів. З ростом частоти обертання середній рівень коливань зростає, а також утворюються декілька локальних максимумів, які відповідають умовам резонансу. На основі вивчення рівня коливань при холостому обертанні рекомендований вибір робочих значень частоти обертання в інтервалах між резонансами. При цьому можна зменшити відхилення від круглості на 0,5-1 мкм.

4. На основі аналізу впливу термомеханічних явищ у зоні обробки запропоновано алгоритм пошуку стійких областей процесу різання, які забезпечують мінімальний знос інструменту. На величину оптимальної температури в зоні обробки найбільш впливають теплоємність і теплопровідність заготовки та інструменту, які використовуються для визначення оптимальної швидкості різання при тонкому розточуванні (патент 3200 України, UA 7423У1/00).

5. Експериментально встановлена залежність коефіцієнта різання (k_р) від температури (и°С), що виникає в зоні різання. Закономірності функціональної зміни k_р = f (и°С) вивчені в умовах тонкого точіння при зміні глибини та швидкості різання.

6. Розроблена узагальнена розрахункова модель динамічної системи верстата, яка включає пружну систему із двома ступенями вільності, динамічну характеристику процесу різання з функціональною залежністю k_р = f (и°С), а також динамічну характеристику відносного зносу. Розроблено методики визначення параметрів математичної моделі. Запропонована модель дозволяє оцінювати взаємодію процесів різної швидкості при функціонуванні ТС (вібрації, знос інструменту, температура в зоні різання), що є основою оптимального проектування конструкції ОРВ і технології прецизійного розточування.

Достовірність розрахунків за запропонованою моделлю підтверджена порівнянням з експериментальними результатами досліджень інших авторів. Розрахована та експериментально визначена динамічна складова зносу, яка сягає 17-45 % від сумарного зносу інструменту.

7. Імовірність безвідмовної роботи інструмента за параметром динамічна стійкість вивчена аналітично з урахуванням випадкових коливань сили різання. Модель зв'язку працездатності інструмента з рівнем параметричної надійності отримана на основі аналізу й моделювання фізики відмов різального інструменту, дозволяє прогнозувати стійкість різального інструменту при г-процентному напрацюванні на відмову.

8. Вивчено експлуатаційні показники ТС тонкого розточування. Наприклад, середнє значення коефіцієнту технічного використання прецизійних розточувальних верстатів з довірчою ймовірністю 0,8 дорівнює ? 0,85 ± 0,03. Залежно від числа шпинделів і кількості поверхонь обробки втрати від відмов за параметром знос інструмента становлять 50-90 % від загальних втрат часу.

9. На основі проведених досліджень надійності ОРВ розроблено і впроваджено у виробництво карти рекомендованих оптимальних режимів тонкого точіння розраховані стійкості різців при різних сполученнях інструментального й оброблюваного матеріалів; впроваджені запропоновані критерії вибору оптимального рівня надійності верстатів, які забезпечують найвищу економічну ефективність.

10. Використання методів забезпечення надійності прецизійної обробки дозволило конструктивно визначати й розраховувати оптимальну довжину прольоту розточувальних шпинделів, вибрати й обґрунтувати для них розмірні параметри підшипникових опор, розрахувати оптимальне зусилля осьового попереднього натягу дуплексованих підшипників.

11. Розвинуто методи підвищення динамічної стійкості прецизійної обробки для розроблених умов оптимальної настройки гасіїв коливань при широкосмугових випадкових впливах на об'єкт і при гасінні параметричних резонансів.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Точность, надежность и производительность металлорежущих станков /Г. Д. Григорь-ян, С. А. Зелинский, Г. А. Оборский, Г. Ф. Фирсов.- Киев: Техніка, 1991. -- 201 с.

2. Математическое моделирование технических систем /А. В. Усов, В. А. Вайсман, Д. В. Дмитришин, Л. И. Плотникова, Г. А. Оборский -- Київ: Техніка, 1995. -- 328 с.

3. Физико-математическая теория процессов обработки материалов и технологии ма-шиностроения: В 10 т. /Под ред. А.В. Якимова и Ф.В. Новикова.-- Одесса, 2004.-- Т.7: Точность обработки деталей / Ф.В. Новиков, А.В. Якимов, Г.В. Новиков, А.А. Якимов, В.П. Ларшин, Ю.Н. Кривошапка, С.А. Дитиненко, Г.А. Оборский, В.М., Тонконогий, П.Т. Слободяник.-- 546 с.

4. Технологические методы повышения работоспособности металлорежущего инструме-нта и деталей машин / Г. А. Оборский, Д. Е. Анельчик, И. П. Сазонов, В. М. Тонконогий // Тр. Одес. политех. ун-та. -- Одесса, 1995. -- С. 17-21.

5. Оборский Г. А., Джугурян Т. Г. , Гнатюк А. П. Обеспечение параметрической надежнос-ти технологических систем растачивания отверстий //Тр. Одес. политех. ун-та. -- Одес-са, 1996. -- Вып. 1. -- С. 23-27.

6. Оборский Г. А., Тонконогий В. М., Тонконогий О. В. Работоспособность и надежность инструментов с износостойкими покрытиями //Тр. Одес. политех. ун-та. -- Одесса, 1997. -- Вып. 1. -- С. 18-23.

7. Оборский Г. А. Прогнозирование надежности и стойкости режущего инструмента //Тр. Одес. политех. ун-та. -- Одесса, 1998. -- Вып.1(5). -- С. 24-27.

8. Оборський Г. О., Кобелєв В. М. Оптимізація та забезпечення надійності складних технічних систем //Наук. праці Одес. держ. акад. харч. технологій. -- Одеса, 1998. -- Вип.18. -- С. 221-223.

9. Оборский Г. А., Анельчик Д. Е., Мироненко С. В. Исследование шлифования деталей с по-крытием //Сверхтвердые материалы. -- 1999. -- № 1. -- С. 36-39.

10. Оборский Г. А. Построение эффективных систем управления надежностью сложных техни-ческих систем //Тр. Одес. политех. ун-та. -- Одесса, 2000. -- Вып 1. -- С. 23-25.

11. Оборский Г. А., Натальчишин В. В. Оценка гибкости машиностроительного производства //Тр. Одес. политех. ун-та. -- Одесса, 2000. -- Вып.3. -- С. 17-19.

12. Оборский Г. А. Эффективность и надежность технологических систем //Вісник інж. акад. України -- 2001. -- Вип.3. -- С. 31-33.

13. Линчевский П. А., Оргиян А. А., Оборский Г. А. Колебания и точность в технологии машино-строения //Тр. Одес. политех. ун-та. -- Одесса, 2001. -- Вып.1(13). -- С. 14-19.

14. Оборский Г. А. Связь динамической устойчивости технологических систем с их надежностью //Тр. Одес. политех. ун-та. -- Одесса, 2001. -- Вып. 4(16). -- С. 25-29.

15. Оборский Г. А. Методы управления надежностью технологических систем по параметру “динамическая устойчивость” //Високі технології в машинобудуванні: Зб. наук. праць НТУ “ХПІ”. -- Харків, 2002. -- Вип.1(5). -- С. 288-292.

16. Оборский Г. А. Оптимизация конструктивных элементов инструментальных систем от-делочно-расточных станков //Резание и инструмент в технол. системах: Международ. науч.-техн. сб. -- Харьков: НТУ “ХПІ”, 2002. -- Вып.61. -- С. 162-166.

17. Оборский Г. А., Усов А.В. Проблемы устойчивости и надежности замкнутой технологи-ческой системы механической обработки //Тр. Одес. политех. ун-та. -- Одесса, 2002. -- Вып.2(18). -- С. 13-16.

18. Оборский Г. А., Усов А.В. Условия устойчивости и надежности технологической сис-темы механической обработки //Високі технології в машинобудуванні: Зб. наук. праць НТУ “ХПІ”. -- Харків, 2003. -- Вип.2(6). -- С. 167-173.

19. Оборський Г. О., Оргіян О. А. Розрахунки запасів стійкості верстатів // Вісник ЖДТУ.- Житомир, 2003. -- Вип.2(26). -- С. 130-133.

20. Оборский Г. А., Усов А.В. Влияние теплофизических явлений на динамическую устой-чивость процесса резания //Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні: Наук. журн. Запоріз. нац. техн. ун-ту. -- Запоріжжя, 2003. -- Вип.1. -- С. 58-60.

21. Оборский Г. А., Усов А.В. Влияние термомеханических явлений на устойчивость про-цесса резания и изнашивания режущих инструментов //Сверхтвердые материалы. -- 2003. -- № 6. -- С. 66-72.

22. Оборский Г. А., Оргиян А. А. Расчетная модель для оценки динамического качества ста-нков // Вибрации в технике и технологиях. -- 2004. -- № 3(35). -- С. 85-88.

23. Оборский Г. А., Усов А. В., Желоба Г. А. Управление термомеханическими процессами в технологических системах //Тр. Одес. политех. ун-та. -- Одесса, 2004. -- Вып.2(22). -- С. 149-157.

24. Оборский Г. А., Оргиян А. А. Влияние динамических взаимодействий в технологи-

ческих системах на износ инструмента // Тр. Одес. политех. ун-та. -- Одесса, 2005. -- Вып.1(23). -- С. 8-13.

25. Пат. 3200 Україна, UA 7 В23В1/00. Спосіб визначення оптимальної швидкості різання / С. А. Зелинський, Г. О. Оборський -- № 20040503926; заявл. 24.05.2004; опубл. 15.10.2004, Бюл. № 10. -- 4 с.: іл.

26. Оборский Г. А. Применение структурных моделей для прогнозирования надежности технологических систем шлифования //Металлорежущие станки: Респ. межвед. науч.-техн. сб. -- Киев: Техніка, 1990.-Вып.18. -- С. 23-27.

27. Оборский Г. А., Анельчик Д. Е., Волошин О. И. Модель расчета надежности гидромашин на основе анализа отказов //Строит.-дорож. машины. -- 1990. -- № 12. -- С. 34-38.

28. Оборский Г. А., Анельчик Д. Е., Волошин О. И. Прогнозирование параметрической наде-жности насосов //Строит.-дорож. машины. -- 1991. -- № 6. -- С. 18-20.

Оборський Г. О. Наукові основи забезпечення параметричної надійності та динамічної якості технологічних систем прецизійної обробки. -- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.03.01 -- процеси механічної обробки, верстати та інструменти. -- Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля Національної академії наук України, Київ, 2006 р.

Дисертаційна робота присвячена питанням моделювання і забезпечення надійності прецизійної обробки за параметром “динамічна стійкість”. Розглянуто питання взаємного впливу швидкопротікаючих процесів (вібрації) і процесів середньої швидкості (знос інструменту і тепловий фактор у зоні різання). Розроблено оригінальну розрахункову модель для визначення запасу стійкості прецизійних верстатів з урахуванням впливу рівня коливань при холостому ході на випадкові коливання борштанги при прецизійному розточуванні.

Вперше до динамічної моделі верстатної системи включені температурний фактор і динамічна складова зносу інструменту, що дозволило визначити й обґрунтувати наявність оптимальних температур (швидкостей різання), які забезпечують найвищу стійкість інструменту. З урахуванням впливу випадкових факторів отримана можливість розрахунковим шляхом одержати значення рівня параметричної надійності ТС. Розроблено методи вибору оптимальних конструкторсько-технологічних параметрів ТС.

Вирішені задачі вибору оптимальних режимів тонкого розточування, обґрунтовані і розраховані основні конструктивні елементи шпиндельних вузлів, розроблені методи оптимальної настройки гасіїв коливань, які дозволяють забезпечити стабільну динамічну якість пружної системи верстата.

Ключові слова: параметрична надійність, динамічна якість, динамічна складова зносу, оптимальна швидкість, випадкові коливання, прецизійне розточування, пружні системи (верстатів).

Оборский Г. А. Научные основы обеспечения параметрической надежности и динамического качества технологических систем прецизионной обработки. -- Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальнос-ти 05.03.01 -- процессы механической обработки, станки и инструменты. -- Институт свер-хтвердых материалов им. В. Н. Бакуля Национальной академии наук Украины, Киев, 2006.

Диссертационная работа посвящена вопросам моделирования и обеспечения надежности

прецизионной обработки по параметру “динамическая устойчивость”. Рассмотрены вопросы взаимного влияния быстропротекающих процессов (вибрациии) и процессов средней скорости (износ инструмента и тепловой фактор в зоне резания), что позволило разработать научные основы обеспечения динамической устойчивости прецизионной обработки (на примере отделочно-расточных станков) и развернуть динамическое качество во времени. Разработана оригинальная расчетная модель для определения запаса устойчивости прецизионных станков с учетом влияния уровня колебаний при холостом ходе на случайные колебания борштанги с резцом при резании. Для количественной оценки динамического качества принято отношение амплитуды колебаний при резании к амплитуде колебаний при холостом ходе. Определено граничное значение коэффициента связанности, равное отношению коэффициента резания к жесткости упругой системы станка, которое определяет границу устойчивости технологической системы. Аналитически выявлена чувствительность коэффициента динамического качества к изменениям характеристик упругой системы станка и процесса резания.

Впервые в динамическую модель технологической системы включены температурный фактор и динамическая составляющая износа инструмента, что позволило определить и обосновать наличие оптимальных температур (скоростей резания), которые обеспечивают наивысшую стойкость инструмента. В связи с температурно-дефформационной природой стружкообразования, выбор оптимальной температуры (скорости) резания связан с максимальным значением теплоемкости и минимальным значением теплопроводности обрабатываемого материала, что удовлетворительно совпадает с температурой “провалы пластичности”, при которой обеспечивается минимум интенсивности относительного износа.

Разработана обобщенная динамическая модель технологической системы, в результате решения которой определена динамическая составляющая износа и ее вклад в величину общего износа инструмента. За счет корректировки скорости резания, податливости упругой системы станка или коэффициента резания, т. е. на основании оценки взаимовлияния быстропротека-ющих процессов (вибрации) и процессов средней скорости (износ и температурный фактор) выбираются оптимальные характеристики упругой системы станка и процесса резания для обеспечения заданного уровня надежности по параметру “динамическая устойчивость”.

С учетом моделирования влияния случайных силовых факторов и случайного процесса изнашивания режущего инструмента получена возможность расчетным путем получить значения уровня параметрической надежности ТС. Численные значения показателей динамической надежности определялись в условиях подконтрольной эксплуатации отделочно-расточных станков в производственных условиях. На основании результатов исследования стойкости составлены карты рекомендуемых режимов тонкого растачивания, обеспечивающие минимальный уровень относительного поверхностного износа расточного инструмента.

Разработаны методы выбора оптимальных конструкторско-технологических параметров ТС, обеспечивающих заданный уровень надежности по параметру “динамическая устойчивость”.

В частности, решены задачи выбора оптимальных режимов тонкого растачивания, обоснованы и рассчитаны основные конструктивные элементы шпиндельных узлов (пролетное расстояние между опорами, оптимальная величина предварительного натяга при дуплексировании и расстояние между дуплексированными подшипниками), разработаны методы оптимальной настройки гасителей колебаний, позволяющие обеспечить стабильное динамическое качество упругой системы станка.

С целью повышения точности прецезионного растачивания предположены и внедрены конструктивные изменения узлов отладочно-расточных станков, а также оптимальные режимы такого растачивания, что позволило существенно расширить технологические возможности этих станков. Практическая ценность результатов исследований состоит в возможности использования из для других типов станков (например, токарных).

Конструктивно-технологические методы обеспечения надежности и динамической устойчивости станочных модулей ОС-1000; 257ПМР4 ОСПО; ОММ645С завода “Микрон”; узлов прессов ПА2638, Б6234, ПА6738 ОАО “Прессмаш”; ОС7393, ЩС7394, ОС7220 СКБАРС г. Одессы.

Ключевые слова: параметрическая надежность, динамическое качество, динамическая составляющая износа, случайные колебания, прецизионное растачивание, динамическая устойчивость, температура, вынужденные колебания, холостой ход, резание, технологическая система.

Oborsky G. A. Scientific principles of precision processing technological systems' parametrical reliability and dynamic quality maintenance -- Manuscript.

The dissertation seeking the scientific degree of Doctor of engineering science in speciality 05.03.01 -- Processes of machining, machine tools and tools. -- V. N. Bakul' Institute of superfirm materials of the Ukraine National Academy of Sciences, Kiev, 2006.

The thesis is devoted reliability of precision processing as to modeling and maintenance on parameter “dynamic stability”. The questions of mutual influence between fast-running processes and processes of average speed are considered. The initial calculative model for definition of stability resource has been developed with respect to the influence of fluctuations' level at a single course on boring bar casual fluctuations.

For the first time the dynamic model of machine-tools system includes the temperature factor and dynamic component of tool deterioration, that allowed determining and proving the optimum temperatures presence, which provide the best tool stability. In view of influence of random factors the possibility to obtain at the issue of calculations the values of a level of parametrical reliability of the engineering systems. The principles of optimal selection of designer and technological parameters are developed.

In particular, the problems of selecting the optimum modes for thin-boring has been resolved. Also there are proved the basic constructive elements spindle units, the methods of optimum adjustment of fluctuations equalizers allowing to ensure the stable dynamic quality of elastic system of the machine tool are developed.

Key words: parametrical reliability, dynamic quality, dynamic component of deterioration, temperature factor in a zone of cutting, optimum speed and temperature, casual fluctuations.

Размещено на Allbest.ru