Підвищення ефективності процесу експлуатації різальних інструментів на важких токарних верстатах

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ

УДК 621.91.02

05.03.01 - процеси механічної обробки, верстати та інструменти

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПРОЦЕСУ ЕКСПЛУАТАЦІЇ РІЗАЛЬНИХ ІНСТРУМЕНТІВ НА ВАЖКИХ ТОКАРНИХ ВЕРСТАТАХ

Ткаченко Микола Анатолійович

ТЕРНОПІЛЬ - 2009

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі «Металорізальні верстати та інструменти» Донбаської державної машинобудівної академії Міністерства освіти і науки України (м. Краматорськ).

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Клименко Галина Петрівна, Донбаська державна машинобудівна академія, професор кафедри «Металорізальні верстати та інструменти».

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Антонюк Віктор Степанович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», м. Київ, професор кафедри «Виробництва приладів»;

кандидат технічних наук, доцент Волошин Віталій Несторович, Технічний коледж Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя, м. Тернопіль, заступник директора з навчальної роботи.

Захист відбудеться 26 травня 2009 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 58.052.03 Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.

Автореферат розісланий 24 квітня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Л. М. Данильченко



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В сучасних умовах машинобудівного виробництва особливе значення набувають задачі підвищення продуктивності металообробки, зниження її собівартості, впровадження технологій ресурсозберігання, підвищення надійності технологічної системи, точності та конкурентоздатності продукції. Розв'язання цих задач неможливе без розроблення науково-обґрунтованих регламентів експлуатації різальних інструментів, які суттєво впливають на техніко-економічні показники машинобудування. Промисловість України на теперішній час спрямована на впровадження Міжнародних стандартів ISO 9000:2000, які регламентують сертифікацію систем управління якістю виробничих процесів, розробку стандартів і нормативних матеріалів. Внаслідок цього особливого значення набувають питання сертифікації багатьох продуктів (виробів, процесів, послуг), зокрема, процесів раціонального використання різального інструменту, визначення науково-обґрунтованих режимів різання, норм витрат та інших регламентів експлуатації інструменту. Під раціональною експлуатацією розуміються такі умови використання інструменту, при яких поряд з високою продуктивністю і якістю оброблення деталей, досягається найменша собівартість завдяки незначним питомим витратам інструменту.

Особливо важливого значення набувають рішення зазначених задач при використанні різальних інструментів на дорогих важких верстатах. Саме це визначає необхідність скорочення часу їх простоїв і організації раціональної експлуатації інструменту. Велике розсіювання параметрів обробки на важких верстатах (коливання властивостей заготовок, припусків, станів верстату та інструменту, а також інше різноманіття чинників, що впливають на процес експлуатації) потребує комплексного підходу до визначення керуючих параметрів процесу його експлуатації.

Від регламентів експлуатації різального інструменту залежать характер перебігу процесу різання, забезпечення надійності роботи як інструменту, так і всієї технологічної системи в цілому, витрати на обробку, продуктивність і інші характеристики. Регламенти експлуатації інструменту є невід'ємною частиною верстату при постачанні його споживачу та багато в чому визначають конкурентоспроможність устаткування. За рахунок вибору та зміни регламентів можливо управляти якістю процесу експлуатації інструменту, досягаючи заданих результатів без додаткових витрат.

Тому, оцінка якості процесу експлуатації на основі кваліметричного підходу, розробка рекомендацій з вибору параметрів експлуатації різального інструменту є актуальною задачею, вирішення якої забезпечить підвищення ефективності процесу: зниження витрат, підвищення продуктивності та надійності технологічної системи, зниження витрат інструменту при оброблюванні деталей на важких верстатах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Робота є частиною досліджень, які виконуються на кафедрі «Металорізальні верстати та інструменти» Донбаської державної машинобудівної академії в рамках наукової програми ДК-03-2001 «Підвищення якості та ефективності верстатного обладнання та різального інструмента для важкого машинобудування» (№ 0102U001664), Д-04-2004 «Розробка системи управління якістю роботи важких верстатів та інструментів» (№ 0104U004038), Д-06-2007 «Розробка інтегрального комплексу оптимального управління адаптивною технологічною системою важких верстатів» (№ 0107U001306), ДК-08-2004 «Удосконалювання технологічного середовища для автоматизованого виробництва продукції важкого машинобудування» (№ 0105U002445).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності процесу експлуатації різального інструменту на важких верстатах шляхом визначення управляючих параметрів процесу з урахуванням рівня його якості.

Для досягнення мети в роботі поставлені задачі:

провести аналіз параметрів процесу експлуатації різальних інструментів на важких верстатах і на цій основі розробити ієрархічну систему властивостей, що складають якість процесу експлуатації;

визначити залежності зношування інструменту від параметрів процесу його експлуатації для обґрунтування критерію затуплення різального інструменту та для визначення базових показників якості процесу;

вирішити задачу визначення раціональних регламентів експлуатації інструменту на важких верстатах з урахуванням рівня якості його експлуатації;

провести експериментальні дослідження для підтвердження адекватності моделі зношування інструменту та дослідження його стійкості в виробничих умовах підприємства важкого машинобудування;

розробити рекомендації з вибору управляючих параметрів експлуатації інструментів для важких верстатів з урахуванням рівня якості процесу експлуатації. верстат інструмент зношування різальний

Об'єкт дослідження - процес експлуатації різального інструменту на важких верстатах.

Предмет дослідження - ефективність процесу експлуатації різальних інструментів на важких токарних верстатах.

Методи дослідження - теоретичні дослідження базуються на наукових положеннях теорії різання, розрахунку точності обробки, теорії кваліметрії, теорії ймовірності та математичної статистики. В роботі використовувались методи системного аналізу, математичного моделювання та оптимізації. Експериментальні дослідження виконувались в реальних виробничих умовах на важких токарних верстатах в ЗАТ «Новокраматорський машинобудівний завод» (НКМЗ), ВАТ «Краматорський завод важкого верстатобудування» (КЗВВ), Краснолиманських локомотивному та вагоноремонтному депо.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше:

розроблено систему цільових функцій та обмежень для двопараметричної оптимізації параметрів процесу різання на важких верстатах, яка враховує рівень якості реального стану експлуатації інструменту конкретного виробництва;

встановлено та експериментально підтверджено математичні залежності зношування різального інструменту, які дозволяють одночасно визначити зношення по передній і задній поверхням і використовуються в штучній нейронній мережі для прогнозування періоду стійкості інструменту;

визначено ступені варіювання критеріїв якості процесу експлуатації різальних інструментів для різних умов їх роботи в залежності від змінення найзначиміших параметрів процесу.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що на основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень:

розроблено інженерні методики й алгоритми розрахунку рівня якості процесу експлуатації та методику оптимізації параметрів процесу різання на важких верстатах, які вперше дозволяють враховувати комплекс необхідних критеріїв оптимальності та обмежень і реальний стан конкретного виробництва;

створено програмне забезпечення, що є частиною САПР ТП і дозволяє моделювати процес керування якістю експлуатації інструмента, розраховувати його кількісні характеристики, визначати резерви їх підвищення;

розроблено рекомендації з вибору раціональних режимів різання й норм витрат інструменту у вигляді нормувальних карт і програмного забезпечення, які покладено в основу рекомендацій з вибору режимів різання для важких токарних верстатів. Розроблені рекомендації застосовуються для вибору регламентів експлуатації інструментів для найпоширеніших умов, які можуть бути уточнені згодом за допомогою прецедентів створеного інформаційного банку даних про роботу інструменту.

Рекомендації пройшли промислову апробацію й впроваджені на машинобудівних підприємствах України, де використовуються інженерами-технологами, інженерами-нормувальниками, фахівцями служби технагляду та контролю якості процесу експлуатації інструменту. Застосування цих методик на промислових підприємствах дозволило підвищити продуктивність обробки деталей, знизити витрати різальних інструментів і підвищити якість оброблених деталей, що забезпечило одержання фактичного економічного ефекту.

Отримані наукові та практичні результати, методики та рекомендації впроваджено у ВАТ «Краматорський завод важкого верстатобудування»: «Методика визначення витрати інструменту на важких верстатах», «Регламенти експлуатації та норми витрат різальних інструментів на важких токарних верстатах» і в ЗАТ «Новокраматорський машинобудівний завод».

Основні положення і науково-прикладні результати дисертаційної роботи, які доведено до рівня практичних рекомендацій, використані як методичне забезпечення при розробці технологічних процесів, бізнес-планування виготовлення та експлуатації верстатів, розрахунку витрат різального інструменту в ВАТ КЗВВ.

Результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі при підготовці фахівців освітньо-кваліфікаційного рівня «спеціаліст» за спеціальністю 7.090204 - інструментальне виробництво при викладанні дисциплін «Різальний інструмент», «Оптимізація процесів різання», «Основи теорії якості різальних інструментів» на кафедрі «Металорізальні верстати та інструменти» Донбаської державної машинобудівної академії.

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи автором отримані самостійно [1, 4, 8]. Особистий внесок полягає у проведенні літературно-патентного огляду відомих методів визначення параметрів процесу експлуатації інструментів [1, 2]; проведенні теоретичних та експериментальних досліджень [5, 6, 11]; техніко-економічних досліджень використання розробленої методики [3, 7, 10] та впровадженні роботи для підвищення ефективності процесу експлуатації інструменту на важких токарних верстатах. Постановка задач, аналіз і трактування результатів виконано спільно з науковим керівником. В опублікованих у співавторстві роботах автору належать основні результати проведених досліджень і наукове обґрунтування основних теоретичних положень.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати роботи доповідались й обговорювалися на щорічних наукових конференціях Донбаської державної машинобудівної академії (2004-2008 рр.); І - VI Міжнародних науково-технічних конференціях «Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку» (Краматорськ, 2003-2008 рр.); XIV Міжнародному науковому семінарі «Високі технології в машинобудуванні» - «Interpartner 2005» (Алушта, 2005 р.), V Всеукраїнській молодіжній науково-технічній конференції «Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї - наука - виробництво» (Суми, 2005 р.); ХІV Міжнародній науково-технічній конференції «Технології ХХІ сторіччя» (Алушта, 2007 р.); XIV Міжнародній науково-технічній конференції «Машинобудування і техносфера ХХІ сторіччя» (Севастополь, 2007 р.), а також на провідних машинобудівних підприємствах Донецької області. В повному обсязі робота доповідалась та отримала позитивні відгуки на засіданнях науково-технічних семінарів у Донбаській державній машинобудівній академії та Тернопільському державному технічному університеті ім. І. Пулюя.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 18 друкованих працях, з них: 8 статей у фахових виданнях за переліком ВАК України (1 одноосібна); 7 тез доповідей конференцій; 1 деклараційний патент на корисну модель.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 5 розділів, загальних висновків, переліку використаних літературних джерел із 157 найменувань; 6 додатків. Основний текст викладено на 132 сторінках, містить 41 рисунків і 12 таблиць. Загальний обсяг роботи складає 180 сторінок.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність теми, визначено мету та задачі досліджень, викладено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі проаналізовано літературні першоджерела з питань експлуатації різальних інструментів на важких верстатах, сучасний стан експлуатації, показана актуальність цієї проблеми. В цьому напрямку виконували роботи: В. С. Антонюк, Ю. М. Внуков, Г. І. Грановський, О. Г. Дерев'янченко, В. О. Залога, М. М. Зорєв, Г. П. Клименко, Т. М. Лоладзе, А. Д. Макаров, П. Г. Матюха, В. М. Подураєв, Н. С. Равська, П. Р. Родін, О. О. Розенберг, В. К. Старков, Г. Л. Хаєт та ін. Процес експлуатації інструменту з точки зору його якості був вперше розглянутий Клименко Г. П. Але створена на основі кваліметричного підходу система керування якістю процесу експлуатації інструменту потребує удосконалення шляхом розробки нових підсистем, структур та моделей, які б більш повно враховували стохастичні фактори процесу. На основі проведеного аналізу процесу експлуатації різальних інструментів важких верстатів визначено наукові підходи та напрямки досліджень для вирішення поставлених в роботі задач.

У другому розділі проаналізовано теоретичні передумови та складові якості процесу експлуатації різальних інструментів. Розроблено методику теоретичних досліджень якості процесу експлуатації різального інструменту, яка побудована на кваліметричному підході та передбачає розробку ієрархічної системи властивостей та кількісну оцінку якості процесу у вигляді адитивної згортки багаторівневих оцінок.

Розроблено методику експериментальних досліджень для визначення одиничних та базових показників якості експлуатації інструменту. Обробку результатів експериментів здійснена методами математичної статистики.

Дослідження проводились у виробничих умовах ЗАТ «Новокраматорський машинобудівний завод» на обладнанні виробництва ВАТ «Краматорський завод важкого машинобудування» при обробленні деталей на верстатах мод. КЖ16275Ф3 (DC = 2000 мм, оброблення деталей масою до 60 тонн, довжиною до 18000 мм.) та мод. КЖ16274Ф3 (DC = 1300 мм, оброблення деталей масою до 25 тонн, довжиною до 8000 мм.)

Методику визначення рівня якості процесу експлуатації різального інструменту на важких верстатах (рис. 1) створено відповідно до теорій кваліметрії та послідовного прийняття рішень.

Дослідження одиничних показників якості процесу експлуатації інструменту здійснювалось за методикою моментних спостережень. Розрахунок оцінок одиничних показників здійснювався шляхом порівняння їх з базовими, які визначались за діючими нормативними матеріалами або за теоретичними моделями (наприклад, зношування інструменту), адекватність яких перевірялась експериментально за відповідними критеріями.

За критерії якості процесу експлуатації різального інструменту обрано властивості призначення: продуктивність, приведені витрати, розмірна стійкість та витрати інструменту. Задача визначення раціональних регламентів експлуатації інструменту на важких верстатах вирішувалась як двопараметрична та багатокритеріальна. Для формування цільових функцій та обмежень при оптимізації режимів різання необхідно визначення стійкості. Особливість методики досліджень зміни форми різального клину різця в процесі зношування полягає в урахуванні спільного зношування по передній та задній поверхнях, що впливає на зміну його напруженого стану.

Для реалізації даного методу було сконструйовано та виготовлено експериментальну установку, за допомогою якої здійснюється вимір геометричних параметрів зношеної різальної пластини (рис. 2).

Для прогнозування стійкості інструменту з урахуванням стохастичного характеру різання використовувалась нечітка штучна нейронна мережа.

У третьому розділі проведено моделювання процесу експлуатації різальних інструментів. Удосконалено методику кваліметричних досліджень процесу експлуатації різальних інструментів, основою якої є створення і дослідження ієрархічної системи властивостей, які характеризують якість процесу. Досліджено залежності зношування інструменту.

Процес механічної обробки на важких верстатах має стохастичний характер, є багатопараметричним та багатокритеріальним. Для знаходження цільових функцій та обмежень при оптимізації параметрів процесу експлуатації різальних інструментів використано апарат визначення змінення властивостей стохастичних послідовностей за допомогою нейромережевого підходу.

Для оцінки якості процесу експлуатації різального інструменту на основі статистичного аналізу визначено номенклатуру показників процесу, ранжування яких дозволило скласти ієрархічну структурну схему найважливіших властивостей, що характеризують цей процес. Якість процесу експлуатації, як найбільш узагальнена, комплексна властивість процесу, розглядається на найвищому - нульовому рівні структурної схеми, а складові його - нижче. Комплексна характеристика якості складних властивостей процесу експлуатації інструменту визначається як адитивна згортка оцінок і вагомостей (ступеней важливості) властивостей нижчого рівня ієрархічної схеми.

Для визначення періоду стійкості інструменту, а також базових показників процесу експлуатації, які характеризують зношення інструменту розроблено його математичних залежності зношування різального інструменту по передній та задній поверхням від параметрів його експлуатації на важких верстатах.

Залежність зношування різального інструменту по задній поверхні від параметрів умов його експлуатації має вигляд:



де qmax - максимальний контактний тиск на задній поверхні ; v - швидкість різання; ф - час обробки; д - товщина шару, з якого відбувається винесення продуктів руйнування адгезійних зв'язків; м - постійна тертя; б - величина заднього кута; д5 - відносне подовження оброблюваного матеріалу; Re, Reи - границі плинності оброблюваного матеріалу та інструменту при середній температурі на площадці контакту.

Об'єм матеріалу Q інструменту, вилученого з передньої поверхні інструменту за час обробки однієї деталі ф, визначено за залежністю:

При допущенні про те, що величини Pu, vc, д, b мало змінюються за час контакту, відповідно до теореми про середнє значення інтегралу, одержано:



де t - глибина різання; о - коефіцієнт усадки стружки; ц - головний кут в плані.

При остаточній обробці валків на важких верстатах виникає завдання визначення розмірної стійкості інструменту при знаходженні розміру оброблюваної деталі в заданому полі допуску a і b, границі якого встановлюються як мінімальне xmin та максимальне xmax значення величин відхилень, що залежать від зношування інструменту. Процес зношування можливо описати стохастичним диференціальним рівнянням першого порядку . Тому . Математичне очікування і дисперсія розмірної стійкості інструменту за умови, що значення початкового зазору Д0, постійної складової швидкості зношування С і коефіцієнта пропорційності л задані, тобто, у випадку, коли : , , де Д0З, СЗ, лЗ - відповідні задані значення початкового зазору, швидкості зношування інструменту, коефіцієнта пропорційності.

Щільність ймовірності координати x в початковий момент часу t = 0 є дельто-подібною функцією, тобто .

Визначено ймовірність того, що випадкова координата x протягом часу t досягає границь інтервалу (xmin, xmax) через Pxmin,xmax(t, x). Для неперервних Марковських процесів, якими можна вважати зношування, питомій ймовірності задовольняє рівняння:

з початковими умовами і граничними умовами :

Коефіцієнти K1(x0), K2(x0) в рівнянні (5) визначаються відповідно як математичне очікування швидкості зношування в початковий момент часу та як спектральна щільність процесу N(t) за формулами:

; .

Визначено моменти часу досягнення границь допуску деталі:

. (7)

Рівняння (7) дозволяє знайти моменти часу першого досягнення границь допуску деталі та використовується для визначення розмірної стійкості інструменту.

Для оцінювання рівня періоду стійкості інструменту при роботі на важких верстатах використано апарат нечітких нейронних мереж, який на відміну від звичайних мереж, дозволяє дефазифікувати нечіткі вхідні дані. Розроблену модель прогнозування стійкості різального інструменту використано для спрощення навчання нейронної мережі. Діагностуюча штучна нейронна мережа представляє мережу елементарних нейронів, що відрізняються між собою видом активаційних функцій і алгоритмами навчання, що є в загальному випадку градієнтними процедурами безумовної або умовної оптимізації.

На вхід штучної мережі при її навчанні та роботі подавалися умови оброблення, режими різання, а також розраховані значення зношення інструменту та контактних напружень на поверхні різальних пластин. Вихідним параметром є гамма-відсоткова стійкість (стійкість із заданою ймовірністю), яка враховує стохастичний характер процесу різання.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень процесу зношування різальних інструментів важких токарних верстатів, а також статистичних даних конкретного виробництва про якість процесу експлуатації інструменту.

Одним із методів визначення форми різального клина на будь-якій стадії його зношування дає метод тіньового перетину, який дозволяє без руйнування досліджуваного інструменту, одержати нормальні до площини різання перетини інструменту.

Для перевірки адекватності моделей зношування проведені експериментальні дослідження зміни геометричної форми різального клину методом неруйнівного контролю за допомогою спеціально розробленого приладу. Він складається з джерела світла ? одномодового лазера, який випромінює пучок паралельних когерентних променів, розсіюваний лінзами до пучка 10 мм. Промінь падає на досліджувану різальну пластину, над якою встановлена світлонепрозора шторка (інструментальна лінійка першого класу точності) завдяки чому на поверхні об'єкта формується чітка границя між світлом і тінню. Це дозволяє вимірювати геометричні розміри лунки зношування по передній поверхні з точністю 4 мкм.

В результаті досліджень проаналізовано види відмов інструменту та побудовано криві зношування різальних пластин в умовах виробництва ЗАТ НКМЗ (рис. 3). Приклад виду зношених пластин наведено на рис. 4.

Запропоновано методику розрахунку величини зношування контактних передньої та задньої поверхонь на основі енергетичної теорії зношування, що дозволяє визначити такі характеристики зношування різця як величина й форма фаски зношування на його задній поверхні, величина радіального зношування, геометричні розміри й форма лунки зношування на його передній поверхні, величина опускання вершини різця.

Проведено експериментальні дослідження форми різального клину методом неруйнівного контролю (тіньовим перетином). Величина розбіжності розрахованої форми зношеного різального клина від певної здобутої експериментальним шляхом не перевищує 10%. Підтвердження адекватності моделей зношування інструменту дає змогу використання їх для розрахунку базових показників для властивості «дотримання норм зношування», визначення критеріїв його затуплення.

Дослідження одиничних показників якості процесу експлуатації здійснювалось методом моментних спостережень. Мінімальне число спостережень дорівнювало 12 при коефіцієнті варіації 0,4 і припущенні про нормальний розподіл параметрів. Аналіз вагомостей показників довів, що найбільш значимими факторами процесу експлуатації є: дотримання раціональних режимів різання, правильність вибору конструкції інструменту, дотримання норм зношування інструменту, якість заготовок, стан обладнання - властивості, пов'язані з роботою технологічної системи. Математична обробка статистичних даних про експлуатацію інструменту в умовах ЗАТ НКМЗ дозволила визначити фактичний рівень якості експлуатації інструменту, який дорівнює 0,66. Спостереження, які проводились раніше на інших підприємствах, дозволили довести розрахунками ще нижчий рівень якості процесу. Встановлено ступінь залежності витрати інструменту від рівня якості його експлуатації, але діючі нормативи режимів різання для важких верстатів були розроблені для рівня якості процесу експлуатації інструменту близькому до 1. Тому виникла необхідність урахування його при визначенні раціональних режимів різання і норм витрати інструменту. Отримані залежності шляхом теоретичних і експериментальних досліджень були використані при формуванні цільових функцій і обмежень для оптимізації параметрів експлуатації інструменту.

У п'ятому розділі наведено результати оптимізації параметрів експлуатації інструменту на важких верстатах. Розроблено математичні моделі цільових функцій і обмежень, які було використано для багатокритеріальної оптимізації режимів різання й витрат різального інструменту з урахуванням рівня його експлуатації. Залежно від вимог конкретного підприємства та виробничих умов система дозволяє сформувати набір критеріїв для оптимізації. З представницького сімейства критеріїв оптимальності обробки на важких токарних верстатах були використані наступні критерії обробки: приведені витрати на обробку П, штучний час (зворотна величина продуктивності) tш, хв., витрата твердого сплаву R і розмірна стійкість TД з ймовірністю P = 0,95.

На рис. 5 наведена система математичних моделей і цільових функцій для оптимізації режимів різання і норм витрати інструменту.

Багатокритеріальна оптимізація здійснювалась зведенням критеріїв до вектору - критерію , де N - число критеріїв. , де Bi - вагомість критерію, яка визначалась експертно при прийнятті рішення залежно від ситуації у виробництві. В результаті оптимізація здійснювалась з урахуванням вагомостей кожного з критеріїв, визначених в залежності від конкретних потреб виробництва. Рівень якості експлуатації враховувався через його кількісний вплив на витрату інструменту.

Розраховано оптимальні режими різання та поправочні коефіцієнти на подачу Ks і швидкість різання Kv в залежності від рівня якості процесу експлуатації при різних критеріях оптимальності (рис. 6, 7).

На рис. 9 наведені перетини поверхонь цільових функцій для різних глибин різання. Оптимальні значення режимів різання знаходяться в області перетинання трьох критеріїв. Прийняття рішень про привалюючий критерій відбувається в залежності від виробничої ситуації на підставі експертних оцінок. Так, для попередньої обробки деталей поряд з критеріями приведених витрат і продуктивності враховується критерій витрати інструменту, для остаточної обробки замість нього - критерій найменшої ймовірності виходу розміру деталі за поле допуску.

Реалізація наукових положень та методів роботи застосовані при підвищенні ефективності процесу експлуатації різальних інструментів на важких верстатах для вирішення таких практичних задач: розроблено та впроваджено у виробництво нормувальні карти для важких токарних верстатів, за допомогою яких призначаються регламенти процесу експлуатації інструментів з урахуванням рівня якості процесу; розроблено та впроваджено методику оцінки рівня якості процесу експлуатації різального інструменту, використання якої на заводах важкого машинобудування дозволило підвищити продуктивність обробки деталей та знизити витрати різальних інструментів на 18%.

Результати проведених досліджень впроваджено на ВАТ «Краматорський завод важкого верстатобудування» при розробці технологічних процесів, бізнес-планування виготовлення та експлуатації верстатів, розрахунку видатку різального інструменту, що дозволило одержати економічний ефект 52400 грн; в ЗАТ «Новокраматорський машинобудівний завод» з економічним ефектом 61740 грн.

Розроблено рекомендації з раціональної експлуатації інструментів на важких токарних верстатах, методи розрахунку оптимальних регламентів та управляючих параметрів експлуатації інструментів, методи кваліметричного підходу до визначення якості експлуатації інструментів використані в навчальному процесі кафедри металорізальних верстатів та інструментів Донбаської державної машинобудівної академії.



ВИСНОВКИ

Виконані дослідження дозволили вирішити актуальну та важливу науково-технічну задачу підвищення ефективності процесу експлуатації різальних інструментів на важких токарних верстатах шляхом визначення управляючих параметрів процесу з урахуванням рівня його якості. В результаті проведеного комплексу досліджень:

На основі аналізу параметрів процесу експлуатації різальних інструментів на важких верстатах визначено номенклатуру властивостей, які характеризують якість процесу, що дозволило з використанням методів теорії кваліметрії одержувати кількісні характеристики їх вагомостей і рівня якості комплексних показників процесу експлуатації для конкретних виробництв.

Розроблено систему цільових функцій та обмежень для двопараметричної багатокритеріальної оптимізації регламентів процесу експлуатації інструменту на важких верстатах на основі критеріїв приведених витрат, продуктивності, витрат інструменту та розмірної стійкості, яка дозволяє враховувати фактичний рівень якості процесу експлуатації.

Розроблено та експериментально перевірено залежності процесу зношування різального інструменту по передній та задній поверхням, що дозволяє прогнозувати середні значення періоду стійкості інструменту. Відхилення величини зношення, одержаної експериментально, від розрахункової величини не перевищує 10%.

Запропоновано застосування нейронних мереж для визначення періоду стійкості інструменту при формування цільових функцій та обмежень, що дало змогу врахувати при оптимізації змінення параметрів стохастичних послідовностей процесу експлуатації різальних інструментів.

Використання залежностей зношування різального інструменту від параметрів його експлуатації у прогнозуванні періоду його стійкості за допомогою нечіткої нейронної мережі дозволило підвищити точність прогнозування та зменшити навчальну вибірку на 55%.

Реалізація наукових положень та методів дисертаційної роботи з підвищення ефективності процесу експлуатації різального інструменту на важких верстатах дозволила кількісно оцінити рівень якості процесу експлуатації різального інструменту на заводах важкого машинобудування, розробити рекомендації з підвищення рівня якості процесу, підвищити продуктивність обробки деталей на 12-15%, знизити витрату різальних інструментів на 18-20%.

Розроблено та впроваджено комплексні нормувальні карти для важких токарних верстатів, які призначені для вибору регламентів експлуатації інструментів з урахуванням рівня якості процесу експлуатації.

Результати проведених досліджень впроваджено у ВАТ «Краматорський завод важкого верстатобудування» що дозволило одержати економічний ефект 52400 грн. та в ЗАТ «Новокраматорський машинобудівний завод» з економічним ефектом 61740 грн.

Розроблені рекомендації з раціональної експлуатації інструментів на важких токарних верстатах, методи розрахунку оптимальних параметрів експлуатації інструментів, методи кваліметричного підходу до визначення якості експлуатації інструментів використані в навчальному процесі кафедри «Металорізальні верстати та інструменти» Донбаської державної машинобудівної академії.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Клименко Г. П. Определение ограничений на режимы резания при оптимизации регламентов эксплуатации инструмента на тяжелых станках / Г. П. Клименко, Я. В. Васильченко, Н. А. Ткаченко // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем : зб. наук. праць. - Краматорськ : ДДМА, 2003. - Вип. 14. - С. 29-35. - ISBN 966-7851-19-2.

2. Клименко Г. П. Принципи міжнародних стандартів ISO 9000:2000 в галузі важкого машинобудування / Г. П. Клименко, Я. В. Васильченко, О. Ю. Андронов, М. А. Ткаченко // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем : зб. наук. праць. - Краматорськ : ДДМА, 2004. - Вип. 16. - С. 38-42. - ISBN 5-7763-0138-6.

3. Клименко Г. П. Підвищення якості процесу експлуатації свердел для глибокого свердління / Г. П. Клименко, О. Ю. Андронов, М. А. Ткаченко // Резание и инструмент в технологических системах : Межд. научн.-техн. сборник. - Харьков : НТУ «ХПИ», 2005. - Вип. 68. - С. 267-272. ISSN 0370-808X.

4. Ткаченко Н. А. Моделирование отказов твердосплавного инструмента / Н. А. Ткаченко // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем : зб. наук. праць. - Краматорськ-Київ : ДДМА, 2006. - Вип. 19. - С. 267-272. - ISBN 966-379-077-6.

5. Клименко Г. П. Вероятностный подход к оценке износа и разрушений режущего инструмента / Г. П. Клименко, А. Ю. Андронов, Н. А. Ткаченко // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем : зб. наук. праць. - Краматорськ-Київ : ДДМА, 2006. - Вип. 20. - С. 8-12. - ISBN 978-966-379-146-3.

6. Клименко Г. П. Определение показателей надежности и прочности резцов при детерминированной и случайной нагрузках / Г. П. Клименко, А. Ю. Андронов, Н. А. Ткаченко // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем : зб. наук. праць. - Краматорськ : ДДМА, 2007. - Вип. 21. - С. 53-57. - ISBN 978-966-379-149-4.

7. Клименко Г. П. Определение показателей стабильности процесса обработки деталей на тяжелых станках / Г. П. Клименко, А. Ю. Андронов, Н. А. Ткаченко, А. В. Хоменко // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії : зб. наук. праць. - Краматорськ : ДДМА, 2007. - Вип. 3 (9). - С. 102-108. - ISSN 1993-8322.

8. Мішура Є. В. Вплив факторів стохастичного характеру на виготовлення деталей важкого машинобудування / Є. В. Мішура, М. А. Ткаченко // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем : зб. наук. праць. - Краматорськ : ДДМА, 2008. - Вип. 23. - С. 234-239. - ISBN 978-966-379-250-7.

9. Пат. 41192 Україна, МПК G01B 11/30. Оптичний прилад для неруйнівного контролю форми передньої поверхні різальних пластин / Г. П. Клименко, М. А. Ткаченко, Є. В. Мішура, О. В. Пономаренко; заявник та правовласник Донбаська державна машинобудівна академія. - № 200814116; заявл. 08.12.2008; опубл. 12.05.2009, Бюл. № 9/2009.

10. Клименко Г. П. Определение надежности и прочности резцов при различных видах нагрузок / Г. П. Клименко, А. Ю. Андронов, Н. А. Ткаченко // Технологии ХХ века : сб. научн. статей по материалам 14-й международной научно-методической конференции. - Сумы : СНАУ, 2007. - С. 26.

11. Клименко Г. П. Анализ отказов токарных резцов тяжелых станков / Г. П. Клименко, А. Ю. Андронов, Н. А. Ткаченко // Машиностроение и техносфера ХХI века : сборник трудов XIV международной научно-технической конференции : в 5 т. - Донецк : ДонНТУ, 2007. - Т. 2. - С. 148-150. - ISBN 966-7907-22-8.

12. Ковальов В. Д. Впровадження принципів TQM на підприємствах важкого машинобудування / В. Д. Ковальов, С. О. Гаков, М. А. Ткаченко // Важке машинобудування. Процеси металообробки, верстати, інструменти. Тези доповідей міжнародної науково-практичної конференції. - Краматорськ : ДДМА, 2003. - С. 15.

13. Клименко Г. П. Визначення видатку важконавантаженого інструменту з урахуванням імовірнісного характеру різання / Г. П. Клименко, О. Ю. Андронов, М. А. Ткаченко, О. І. Лисенко // Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку : матеріали другої Міжнародної науково-практичної конференції. - Краматорськ : ДДМА, 2004. - С. 49-50. - ISBN 966-7851-44-3.

14. Ткаченко Н. А. Применение программ-эмуляторов сетей с однородной структурой для прогнозирования эксплуатационных характеристик режущего инструмента / Н. А. Ткаченко, А. Ю. Андронов // Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку : матеріали третьої Міжнародної науково-технічної конференції. - Краматорськ : ДДМА, 2005. - С. 104. - ISBN 966-379-001-6.

15. Клименко Г. П. Підвищення якості процесу експлуатації свердел для глибокого свердління / Г. П. Клименко, О. Ю. Андронов, М. А. Ткаченко // Высокие технологии: тенденции развития : материалы XIV Международного научно-технического семинара. - Харьков-Алушта : НТУ «ХПИ», 2005. - С. 60. - ISBN 966-7810-86-0.

16. Андронов А. Ю. Прогнозирование вероятности разрушений тяжелонагруженных резцов / А. Ю. Андронов, Н. А. Ткаченко // Машинобудування України очима молодих : прогресивні ідеї - наука - виробництво : тези доповідей П'ятої Всеукраїнської науково-технічної конференції. - Суми : СумДУ, 2005. - С. 5-6.

17. Ткаченко Н. А. Прогнозирование отказов при эксплуатации инструментов / Н. А. Ткаченко // Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку : матеріали четвертої Міжнародної науково-технічної конференції. - Краматорськ : ДДМА, 2006. - С. 95. - ISBN 966-379-076-8.

18. Клименко Г. П. Вероятностный подход к определению размерной стойкости инструментов / Г. П. Клименко, Н. А. Ткаченко // Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку : матеріали п'ятої Міжнародної науково-технічної конференції. - Краматорськ : ДДМА, 2007. - С. 55. - ISBN 978-966-379-150-0.



АНОТАЦІЯ

Ткаченко М. А. Підвищення ефективності процесу експлуатації різальних інструментів на важких токарних верстатах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01 - процеси механічної обробки, верстати та інструменти. - Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя. - Тернопіль, 2009.

Робота присвячена вирішенню актуальної науково-технічної задачі підвищення ефективності процесу експлуатації різальних інструментів важких верстатів з метою впровадження ресурсозберігаючих технологій, підвищенню надійності технологічної системи, точності та конкурентоздатності продукції.

В дисертації запропоновано можливість підвищення ефективності процесу експлуатації різальних інструментів важких верстатів шляхом розроблення раціональних управляючих параметрів, які забезпечують якість процесу. Процес експлуатації інструментів і модель системи управління розглянуті у відповідності до Міжнародних стандартів ISO 9000:2000. Ґрунтуючись на кваліметричному підході та теорії послідовного прийняття рішень запропоновано методику визначення рівня якості експлуатації різальних інструментів. Розроблено та експериментально перевірено модель зношування різального інструменту. Запропоновано конструкцію та принцип дії оптичного приладу для вимірювання геометрії зношування різального інструменту. Складено моделі цільових функцій та обмежень для оптимізації режимів різання та витрати інструменту з урахуванням рівня його експлуатації, за якими проведено багатокритеріальну оптимізацію.

Ключові слова: різальні інструменти, процес експлуатації, рівень якості, управляючі параметри процесу.



АННОТАЦИЯ

Ткаченко Н. А. Повышение эффективности процесса эксплуатации режущих инструментов на тяжелых токарных станках. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 - процессы механической обработки, станки и инструменты. - Тернопольский государственный технический университет имени Ивана Пулюя. - Тернополь, 2009.

Работа посвящена решению актуальной научно-технической задачи повышения эффективности процесса эксплуатации режущих инструментов тяжелых станков с целью внедрения ресурсосберегающих технологий, повышения надежности технологической системы, точности и конкурентоспособности продукции.

В диссертации на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложено новое решение научно-прикладной задачи повышения эффективности процесса эксплуатации режущих инструментов при обработке деталей тяжелого машиностроения путем разработки рациональных управляющих параметров в условиях единичного и мелкосерийного машиностроительного производства.

Усовершенствована методика квалиметрических исследований процесса эксплуатации режущих инструментов, основою которой является составление иерархической системы свойств, составляющих качество и проведена оптимизация параметров процесса резания на тяжелых токарных станках.

Диссертация состоит из введения и пяти разделов, выводов, приложений, списка использованной литературы.

В первом разделе проведен анализ литературных источников, касающихся эксплуатации инструментов на тяжелых станках. Рассмотрена модель системы управления процессом эксплуатации инструмента в соответствии с Международными стандартами ISO 9000:2000. Проанализированы исходные зависимости для определения рациональных параметров эксплуатации, критерии и методы определения граничного состояния режущего инструмента. Сформулированы цель и задачи исследований.

Во втором разделе представлены теоретические предпосылки и анализ качества процесса эксплуатации режущих инструментов. Предложена методика определения уровня качества эксплуатации режущих инструментов, которая построена в соответствии с теориями последовательного принятия решений, квалиметрии и предусматривающая разработку иерархической системы свойств для количественной оценки уровня качества процесса в виде аддитивной свертки многоуровневых оценок. В качестве критериев качества процесса эксплуатации режущих инструментов выбраны свойства назначения: производительность, себестоимость, приведенные затраты, точность обработки и расход инструмента.

В третьем разделе проведено моделирование процесса эксплуатации режущих инструментов. С целью оценивания качества процесса, на основе статистического анализа определена номенклатура и составлена структурная схема всех наиболее важных свойств, характеризующих процесс. Предложены математические зависимости изнашивания режущего инструмента по передней и задней поверхностям от параметров его эксплуатации, определена вероятность выхода и момент времени первого достижения границ поля допуска детали. Учитывая стохастический характер, многопараметричность и многокритериальность процесса механической обработки, для определения периода стойкости инструмента в целевых функциях и ограничениях при оптимизации предложен нейросетевой аппарат, позволяющий учитывать изменения свойств стохастических последовательностей параметров процесса эксплуатации.

В четвертом разделе выполнены экспериментальные исследования процесса изнашивания режущих инструментов тяжелых токарных станков в производственных условиях ЗАО «Новокраматорский машиностроительный задод». Описаны принцип действия и конструкция оптического прибора для контроля геометрии режущего инструмента. Проведены исследования таких характеристик изнашивания резца как величина фаски износа по задней поверхности, геометрические размеры и форма лунки износа по передней поверхности, величина опускания вершины резца. Определение единичных показателей качества процесса эксплуатации производилось методом моментных наблюдений. Произведена математическая обработка статистических данных об эксплуатации инструмента. Полученные зависимости были использованы при формировании целевых функций и ограничений для оптимизации параметров эксплуатации.

В пятом разделе проведена двухпараметрическая многокритериальная оптимизация параметров эксплуатации инструмента на тяжелых станках. Предложена система целевых функций и ограничений для оптимизации режимов резания с учетом уровня процесса эксплуатации инструмента. Оптимизация проводилась с учетом весомостей каждого критерия. Принятие решений о превалирующем критерии совершалось в зависимости от производственной ситуации. Определены оптимальные режимы резания и поправочные коэффициенты на подачу и скорость резания в зависимости от уровня качества процесса эксплуатации. Разработаны научно-практические рекомендации по повышению эффективности процесса эксплуатации инструмента применительно к условиям машиностроительного производства, снижению расхода инструмента, предложены нормировочные карты для назначения регламентов процесса эксплуатации инструмента на тяжелых станках.

Ключевые слова: режущие инструменты, процесс эксплуатации, уровень качества, управляющие параметры процесса.



SUMMARY

Tkachenko M. The increase of process efficiency of tooling exploitation on heavy lathes. - Manuscript.

The thesis for scientific degree of candidate of technical sciences in the speciality 05.03.01 - processes of machining, machine tools and tools, Ivan Puluj Ternopil State Technical University. - Ternopil, 2009.

The thesis is devoted to the decision of actual scientific and technical task of efficiency increase of exploitation process of tooling on heavy lathes with the purpose of resource-saving technologies, to the increase of the technological system reliability, exactness and competitiveness of products.

The possibility of efficiency increase of exploitation process of tooling on heavy lathes by development of rational managing parameters, providing the process quality, is offered. The process of tooling exploitation and model of control system in accordance with International standard ISO 9000:2000 are considered. The method of quality level determination of tooling exploitation on the basis of quality metering approach and the sequential decisions theory is offered. The model of tooling wear is developed and experimentally tested. The construction and principle of scope action for tooling geometry measuring is offered. The models of objective functions and limitations for optimization of the cutting modes and instrument expense by the exploitation level are made. Multicriterion optimization is conducted.

Key words: tooling, exploitation process, quality level, managing parameters of process.

Размещено на Allbest.ru

...