Разработка алгоритма для автоматизации выбора режима поверхностного пластического деформирования поверхностей стальных деталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка алгоритма для автоматизации выбора режима поверхностного пластического деформирования поверхностей стальных деталей

С.В. Степошина

Разработана программа, позволяющая автоматически заполнять технологическую документацию для операции поверхностного пластического деформирования (ППД) и тем самым сокращать время на технологическую подготовку производства.

Ключевые слова: отделочно-упрочняющая обработка, поверхностное пластическое деформирование, алгоритм оптимизации, метод штрафных функций, метод градиентного спуска.

При обзоре технической литературы по вопросу оптимизации отделочно-упрочняющей обработки (ОУО) ППД цилиндрических поверхностей были определены основные параметры, влияющие на выбор метода обработки:

- форма и материал детали;

- параметры качества поверхностного слоя детали;

- размеры детали, жесткость;

- исходные параметры качества поверхностного слоя заготовки.

Определяющее влияние при выборе метода для ОУО ППД оказывают форма обрабатываемой поверхности детали, материал, его твердость. Жесткость детали влияет на допустимые усилия обработки, крутящие моменты. При обработке алмазным выглаживанием для получения определенного давления в зоне обработки требуются меньшие усилия, что применимо для тонкостенных и маложестких деталей. Детали высокой твердости (>50 HRCэ) также могут быть обработаны только алмазом (ввиду его твердости). Детали с шероховатостью Ra 0,02…0,04 мкм тоже рекомендуется выглаживать. Детали с другими параметрами можно обрабатывать как алмазными выглаживателями, так и инструментами со стальными деформирующими элементами[2; 3].

Требуемые параметры качества поверхностного слоя определяют параметры режима обработки - P, S, V. Исходные параметры качества поверхностного слоя заготовки определяют возможности для обработки детали ППД. Был разработан алгоритм оптимизации условий ОУО ППД, блок-схема которого представлена на рис.1.

Блок 0- ввод исходных данных (известных из чертежа детали).

В блоке 1 выбираем метод ППД, который может быть применим в данных условиях. Для тонкостенных (), нежестких () деталей и деталей высокой твердости () может быть применимо только алмазное выглаживание. Для остальных методов применимы как алмазное выглаживание, так и обработка инструментами со стальным деформирующим элементом.

Далее (блок 2) определяем вид ОУО ППД в зависимости от требуемого коэффициента упрочнения (отделочная, отделочно-упрочняющая или упрочняющая обработка).

В блоке 3 вычисляем усилие обработки, допустимое по жесткости детали. В основе ограничения лежит условие, при котором величина прогиба заготовки под действием радиальной силы должна быть не более допустимого прогиба.

В блоке 4 выбираем метод обработки в соответствии с тем, какое качество поверхности можно с помощью него обеспечить.

Далее (блок 5) рассчитываем усилие и номинальное давление в зоне обработки по теории контактирования твердых тел [9].

В блоке 6 сравниваем допустимое усилие с рассчитанным.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дальше (блок 7) назначаем параметры деформирующей части инструмента (радиус алмаза либо диаметр стального шарика в накатнике) в зависимости от требуемого значения Ra поверхности детали.

В блоке 8 рассчитываем продольную подачу и назначаем скорость обработки.

В блоке 9 выполняем оптимизацию. В данной работе будет проводиться расчет оптимальной скорости резания и подачи по критериям наибольшей производительности и наименьшей себестоимости. Как правило, наиболее производительный режим является и наиболее затратным. Поэтому необходимо решить задачу многокритериальной оптимизации путем построения компромиссной целевой функции.

Различные методы оптимизации применяются для конкретных условий задачи. Был проведен обзор методов оптимизации (табл. 1 - 3) [4 - 6]. Для написания алгоритма используем метод штрафных функций для преобразования условной задачи оптимизации в безусловную (это позволяет использовать для последующей оптимизации более простые методы). Далее применяем метод градиентного спуска с постоянным шагом.

Таблица 1

Методы, применяемые для безусловной оптимизации функции одной переменной

Таблица 2

Методы, применяемые для условной оптимизации

Таблица 3

Методы, применяемые для безусловной оптимизации функции многих переменных

Расчет зависимостей для оптимизации технологического процесса ОУО ППД по критериям наибольшей производительности и наименьшей себестоимости велся по методу приведенных затрат [1; 7; 8].

Штучная производительность технологической операции (шт/мин) обратна штучно-калькуляционному времени на эту операцию:

,

где - штучно-калькуляционное время, мин.

При введении в данную зависимость составляющих, которые зависят от режима обработки, целевая функция для минимизации штучного времени обработки поверхности ППД примет вид

, (1)

где l- длина заготовки, мм; d- диаметр заготовки, мм; V- скорость резания, м/мин; S- подача, мм/об; Тсм- время, затрачиваемое на каждую смену инструмента, мин; р- контактное давление, МПа; HV- твердость обрабатываемого материала; Р - усилие, Н.

В конечном итоге целевая функция для минимизации себестоимости примет вид

, (2)

где ; Сз.с- заработная плата станочника (с начислением в фонд соцстраха); Са- амортизационные отчисления на замену станка; Спр- затраты на амортизацию и ремонт универсальных приспособлений; Сэн- затраты на силовую электроэнергию; Cп- затраты по эксплуатации помещений.

Для получения совмещенного аддитивного критерия из зависимостей (1) и (2), имеющих различную размерность, одним из методов свертки необходимо привести величины и к безразмерному виду. Для этого делим правые и левые части выражений (1) и (2) на некоторые условно принятые средневзвешенные нормирующие делители и . Значения и наиболее удобно вычислять при заранее известных значениях скорости и подачи, определяемых по справочным данным для данного метода обработки [3].

При дискретном множестве значений скорости и подачи в качестве и берем среднее арифметическое значение и числа пар kl значений V и S:

;

.

После приведения критериев оптимальности к безразмерному виду получим:

, , ,

где и - весовые коэффициенты производительности и себестоимости (зависят от степени влияния на значение целевой функции).

В конечном итоге целевая функция примет вид

.

Далее выполняем оптимизацию с помощью метода штрафных функций. Основная цель данного метода - преобразование задачи нелинейного программирования (с ограничениями ) в последовательность задач безусловной минимизации.

Вводим штрафные функции , которые подбираются так, чтобы мало отличалась от : , .

Новая целевая функция примет вид

Размещено на http://www.allbest.ru/

Далее минимизируем данную функцию методом градиентного спуска при различных значениях k (рис.2).

На рис.2:

e - заданный параметр, характеризующий точность нахождения экстремума;

- вектор-градиент целевой функции;

;

- модуль вектора-градиента целевой функции;

.

.

Результатом выполненной работы стала программа, написанная в среде Borland C++Builder, которая позволяет автоматически заполнять операционную карту и дает рекомендации по выбору наиболее оптимального вида ОУО ППД, применимого к данным условиям обработки. В программе использовался механизм автоматизации OLE для подключения объектов Microsoft Office (подключение таблиц баз данных, разработанных Microsoft Excel, заполнение операционной карты). Интерфейс окна программы представлен на рис.3.

технологический документация пластический деформирование

Рис. 3. Интерфейс программы и операционная карта

Исходные данные, вводимые для расчета (согласно чертежу детали):

- тип поверхности (внутренняя/ наружная);

- размеры (диаметр, длина);

- материал детали;

- требуемые параметры качества поверхностного слоя детали (шероховатость поверхности, коэффициент упрочнения, глубина упрочнения, квалитет детали);

- радиус инструмента.

Выходные данные:

- рекомендуемый наиболее оптимальный вид обработки;

- значения режимов упрочнения (Р, S, V);

- требуемое качество после предшествующей обработки;

- автоматически заполненная операционная карта для операции ППД.

Таким образом, данная программа, учитывающая физико-механические свойства материала заготовки, качество ее поверхности и параметры деформирующей части инструмента, позволит сократить время на технологическую подготовку производства при обработке и восстановлении деталей машин, обрабатываемых методами ППД.

Список литературы

1. Оптимизация технологических условий механической обработки деталей авиационных двигателей/ В.Ф. Безъязычный [и др.].-М.: Изд-во МАИ, 1993.- 184с.

2. Одинцов, Л. Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: справочник/ Л.Г. Одинцов.- М.: Машиностроение, 1987.- 328с.

3. Рыжов, Э.В. Оптимизация технологических процессов механической обработки/ Э.В. Рыжов, В.И. Аверченков.- Киев: Наукова думка, 1989.-192с.

4. Реутов, А.А. Методы оптимизации в инженерных расчетах: учеб. пособие/ А.А. Реутов.- Брянск: БГТУ, 2004.- 111с.

5. Реклейтис, Г. Оптимизация в технике: [пер. с англ.]/ Г. Реклейтис, А. Рейвиндран, К. Рэгсдел.- М.: Мир, 1986.- Кн. 1.-350с.

6. Реклейтис, Г. Оптимизация в технике: [пер. с англ.]/ Г. Реклейтис, А. Рейвиндран, К. Рэгсдел.- М.: Мир, 1986.- Кн. 2.-320с.

7. Расчеты экономической эффективности новой техники: справочник/ под общ. ред. К.М. Великанова.- 2-е изд., перераб. и доп.- Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1990.- 448с.

8. Тверской, М.М. Автоматическое управление режимами обработки деталей на станках/ М.М. Тверской.- М.: Машиностроение, 1982.- 208с.

9. Федонин, О.Н. Научное обоснование выбора режимов обработки при поверхностном пластическом деформировании/ О.Н.Федонин, С.В.Степошина// Вестн. БГТУ.- 2011.- №1.- С. 4-8.

Размещено на Allbest.ru