Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ МОДИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН С УЧЕТОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Специальность: 05.02.08 - Технология машиностроения

Рябов Альберт Николаевич

Рыбинск - 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П.А. Соловьева".

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Безъязычный Вячеслав Феоктистович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Непомилуев Валерий Васильевич;

кандидат технических наук Клейменов Валерий Васильевич.

Ведущая организация: ОАО "Роствертол", г. Ростов-на-Дону.

Защита диссертации состоится "18" марта 2009 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 в Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П.А. Соловьева по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославской области, ул. Пушкина, 53, ауд. Г-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П.А. Соловьева.

Автореферат разослан "13" февраля 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Б.М. Конюхов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации рассматриваются вопросы, связанные с обеспечением требуемого качества деталей машин путем структурно-параметрической модификации технологических процессов механической обработки на стадии технологической подготовки производства с учетом технологической наследственности.

Актуальность работы. Отечественным предприятиям для успешного развития в условиях конкурентной борьбы на мировом рынке машиностроительной продукции необходимо обеспечивать выпуск продукции в соответствии с требованиями международных стандартов в области качества.

Основным показателем качества изделия является его надежность, как свойство объекта сохранять в течение определенного промежутка времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения, транспортирования. Обеспечение требуемого уровня надежности изделий на стадии подготовки производства достигается за счет проектирования эффективных технологических процессов их изготовления.

Одним из способов повышения эффективности деятельности предприятия и обеспечения конкурентоспособности его продукции является автоматизация технологической подготовки производства на базе современных информационных технологий. Однако, в ряде случаев этого недостаточно для обеспечения требуемого уровня качества изделий, поскольку, учитывая тенденцию возрастания требований к точности выпускаемой продукции, все более актуальной становится проблема учета влияния технологической наследственности в процессе проектирования и реализации технологических процессов изготовления деталей машин.

В данной работе предпринята попытка решения актуальной проблемы обеспечения требуемого качества деталей машин путем структурно-параметрической модификации технологических процессов механической обработки на стадии технологической подготовки производства с учетом технологической наследственности.

Объектом исследования являются процессы формирования и реализации проектных технологических решений, связанных с обеспечением требуемого качества изготавливаемых деталей машин с позиций автоматизированной разработки технологических процессов с учетом явления технологической наследственности. Рассматриваются проектные технологические решения уровня маршрутных и операционных технологических процессов изготовления деталей.

Целью диссертационной работы является разработка и реализация теоретических положений по структурно-параметрической модификации технологических процессов механической обработки деталей машин с учетом технологической наследственности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) разработать методику расчета операционных размеров с учетом влияния технологической наследственности, учитывающую расчетное определение составляющих величины минимального припуска;

2) предложить алгоритм расчетного определения операционных размеров с учетом влияния технологической наследственности, учитывающий расчетное определение составляющих величины минимального припуска;

3) разработать методику структурно-параметрической модификации технологических процессов с учетом технологической наследственности и влияния термической обработки;

4) предложить алгоритм учета явления технологического наследования при формировании технологических процессов механической обработки.

Методы исследований. Теоретические исследования базировались на фундаментальных положениях соответствующих разделов технологии машиностроения. В частности, были использованы положения теории размерных цепей, теории графов, положения и методики технологического обеспечения качества поверхностного слоя при механической обработке, повышения эффективности и оптимизации технологии изготовления деталей, а также концепция направленного формирования показателей качества изделий машиностроения на основе теории технологического наследования.

Научная новизна работы заключается в том, что разработаны теоретические положения, позволяющие на стадии технологической подготовки производства выполнять структурно-параметрическую модификацию существующих и разработку новых технологических процессов на основе положений технологической наследственности и определять минимальные межоперационные припуски с учетом параметров, характеризующих поверхностный слой на предшествующей операции.

Автор защищает:

- математическую алгоритмическую модель расчетного определения операционных размеров с учетом влияния технологической наследственности, учитывающую расчетное определение составляющих величины минимального припуска;

- математическую алгоритмическую модель формирования маршрутных технологических процессов с учетом явления технологического наследования.

Практическая значимость и реализация результатов работы: Разработанные программные продукты могут быть использованы при модернизации и разработке новых систем комплексной автоматизации технологической подготовки производства изделий машиностроения. Отдельные результаты исследований приняты к использованию на ОАО "НПО "Сатурн".

Апробация работы: основные положения и результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на Международной молодежной научной конференция "XXХIII Гагаринские чтения", Москва, 2007 г.; VI Международной научно-технической конференция "Материалы, технологии и оборудование в производстве, эксплуатации, ремонте и модернизации машин", Новополоцк, 2007 г.; IV Научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности", Москва, 2007 г.; Международной научно-технической конференции "Технологическое обеспечение и автоматизированное управление параметрами качества поверхностного слоя, точности обработки деталей и сборки газотурбинных двигателей", Рыбинск, 2007 г.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 2 публикации в изданиях, утвержденных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения с общими выводами по работе и приложений. Работа содержит 169 страниц текста (без приложений), включая 12 таблиц, 45 рисунков, список использованных источников из 103 наименований и приложений на 7 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы. Сформулирована цель работы. Изложены научные и практические результаты, выносимые автором на защиту.

В первой главе выполнен обзор литературных данных и производственных сведений по состоянию вопроса. О высоком внимании к проблеме учета влияния технологической наследственности при изготовлении деталей машин свидетельствуют теоретические и экспериментальные исследования Б.М. Базрова, В.Ю. Блюменштейна, А.С. Васильева, А.М. Дальского, А.И. Кондакова, Н.Н. Патракова, А.Н. Петухова, А.Г. Суслова, М.Л. Хейфеца, П.И. Ящерицына и др. Анализ литературных источников показал, что, несмотря на значительный объем исследований, вопрос влияния технологической наследственности на обеспечение требуемого качества деталей при структурно-параметрической модификации технологических процессов механической обработки на стадии технологической подготовки производства изучен недостаточно полно и требует дальнейших исследований.

Вопросам расчетного определения минимального припуска на обработку и операционных размеров посвящены труды В.Н. Ашихмина, Б.С. Балакшина, В.В. Закураева, И.А. Иващенко, В.М. Кована, И.А. Меркурьева, Б.С. Мордвинова, А.П. Соколовского, В.К. Соловьева, В.Ю. Шамина и др. Однако в настоящее время отсутствуют методики определения величин межоперационных припусков, достаточно полно учитывающие явление технологической наследственности. Автором показано, что управление величиной припуска с позиций технологической наследственности поможет избежать заведомо завышенных припусков, что обеспечит более целесообразное использование дорогостоящих конструкционных материалов, а также позволит осуществлять направленное формирование качества поверхностного слоя изделия.

В области оптимизации технологических процессов заслуживают внимания работы В.И. Аверченкова, В.М. Капустина, А.И. Кондакова, А.И. Половинкина, Э.В. Рыжова, В.Д. Цветкова и других ученых. Однако эти работы не затрагивают в полной мере вопроса обеспечения требуемой точности обработки деталей машин при автоматизированном формировании маршрутных технологических процессов с учетом явления технологической наследственности.

Анализ возможностей современных систем автоматизированного проектирования (САПР) показал, что на текущий момент максимально проработанным и доведенным до практической реализации в них является конструкторское направление. Практически у всех САПР технологических процессов (САПР ТП) отсутствует возможность автоматического проектирования маршрутных технологических процессов с учетом технологической наследственности.

Обеспечение требуемого качества изготовления деталей наукоемких изделий машиностроения связано с решением сложной, актуальной задачи установления взаимосвязи между структурой формируемых технологических процессов, размерной точностью применяемых методов обработки и выделенными параметрами качества поверхностного слоя с учетом технологической наследственности. В связи с этим, тема представленной диссертационной работы является актуальной.

На основе выполненного анализа была сформулирована указанная выше цель работы, определены объект исследования и предмет производства. Достижение поставленной цели исследования потребовало решения приведенных выше основных задач.

Во второй главе на основании теории размерных цепей, теории графов, а также положений и методик технологического обеспечения качества поверхностного слоя деталей при механической обработке автором был разработан методический подход к разработке технологических процессов изготовления изделий машиностроения, позволяющий осуществлять расчет операционных размеров с учетом технологического наследования. технологическая наследственность механическая обработка

Согласно данному подходу, маршрутный технологический процесс изготовления детали, как последовательность этапов обработки и видов применяемых технологических методов, определяет структуру операционного технологического процесса. Разработка операционного технологического процесса является основополагающим этапом для определения эффективных технологических условий обработки, обеспечивающих комплекс различных параметров качества готовой детали.

Установление взаимосвязи между вышеперечисленными технологическими средами различных уровней предлагается осуществлять с использованием теории графов. Визуализация процесса обработки с использованием ациклических каскадных графов позволяет формализовать структуру процесса наследственного формирования параметров качества обрабатываемой детали. На ее основе осуществляется предварительное моделирование процесса изменения ожидаемых значений параметров, для чего автором предложено последовательно попарно рассматривать взаимодействующие операции (переходы) технологического процесса. Предварительное моделирование необходимо для ограничения исходного множества всех технически возможных вариантов технологического маршрута до множества обеспечивающих формирование ожидаемых значений параметров качества.

В настоящей работе, с позиций определения величины минимального припуска на обработку, рассмотрен процесс моделирования наследственного формирования следующих параметров поверхностного слоя детали:

- высоты неровностей по десяти точкам Rz (мкм);

- глубины наклепанного слоя h_C (мкм).

Модели, определяющие взаимосвязь входных и выходных ожидаемых значений параметров качества, представлены следующими выражениями:

; , (1)

где символами "I" и "O" помечены соответственно входные и выходные значения рассматриваемых параметров; Д(…) - поля рассеяния соответствующих параметров качества, определяемые в результате анализа статистических данных о результатах реализации технологических методов; r_O и h_O - наследственные составляющие на текущей операции (переходе) для Rz^O и h_C^O соответственно.

Рис. 1. Последовательность определения наследственных составляющих

Подход к определению наследственных составляющих r_O и h_O, предложенный автором и схематично изображенный на рис. 1, заключается в следующем.

1. Для исходных вариантов маршрутного технологического процесса выполняется предварительное моделирование процесса изменения параметров.

2. После предварительного моделирования изменения параметров качества (при условии их обеспечения) выполняется конкретизация имеющихся вариантов до уровня операционного технологического процесса и назначение соответствующих технологических условий обработки.

3. Используя описанные в работе методики, осуществляется пооперационное определение ожидаемых значений Rz и h_C исходя из технологических условий обработки.

4. Производится количественное определение наследственных составляющих моделей r_O и h_O, что позволяет из множества вариантов маршрутных технологических процессов выбрать наиболее предпочтительные с позиций технологической наследственности (либо выполнить их соответствующую модификацию).

Дальнейшая разработка операционного технологического процесса сопровождается пооперационным определением наиболее эффективных схем базирования и закрепления детали, установлением размерных взаимосвязей обрабатываемых и базовых поверхностей, а завершается определением соответствующих припусков, допусков и операционных размеров.

Определение минимального операционного припуска, учитывающего наследственное влияние предыдущей операции, предложено осуществлять путем суммирования его составляющих: Rz_i-1 (высоты неровностей профиля на предшествующей операции или переходе, мкм), h_{C i-1} (глубины наклепанного слоя на предшествующей операции или переходе, мкм), д_{У i-1} (векторной суммы пространственных отклонений взаимосвязанных поверхностей обрабатываемой заготовки на предшествующей операции или переходе, мкм), (векторной суммы погрешностей базирования и закрепления заготовки на выполняемой операции или переходе, мкм). Припуски рассчитываются для всех поверхностей, участвующих в расчете размеров, по всем операциям (переходам) технологического процесса, на которых происходит их изменение. Характерной особенностью данного расчета припуска является то, что ожидаемые значения Rz_i-1 и h_{C i-1} определяются исходя из конкретных технологических условий предшествующей механической обработки с использованием зависимостей и методик, разработанных учеными РГАТА имени П.А. Соловьева.

Учет конкретных технологических условий при определении составляющих величины минимального припуска на обработку Rz_i-1 и h_{C i-1} позволяет учесть наследственное влияние технологических условий реализации предшествующей операции (перехода) и определить необходимые величины минимальных припусков на обработку.

Была выполнена алгоритмизация сформированной автором методики расчета операционных размеров с учетом влияния технологической наследственности, базирующейся на расчетном определении отдельных составляющих величины минимального припуска, в результате чего она была приведена к виду, пригодному для разработки математического и программного обеспечения САПР. С учетом требований к разработке математического обеспечения САПР, автором предложены математические алгоритмические модели расчета межоперационных длинновых размеров с учетом влияния явления технологического наследования (рис. 2), а также определения величины минимального операционного припуска с учетом технологического наследования применительно к обработке плоских поверхностей (рис. 3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Алгоритм расчета межоперационных длинновых размеров с учетом явления технологического наследования

Рис. 3. Алгоритм определения минимального припуска на обработку для плоских поверхностей с учетом межоперационного взаимодействия зон наклепов

В третьей главе была выполнена разработка принципов автоматизированного формирования технологических процессов с учетом явления технологического наследования.

Анализ теоретических закономерностей формирования маршрутных технологических процессов позволил выделить основные положения и на их основе сформировать ряд оценок, определяющих выбор методов обработки, виды и взаимное расположение механической и термической обработки, обеспечивающих наиболее эффективное достижение требуемых точностных параметров и физико-механических свойств детали. На их основе были сформулированы основные положения, принятые при постановке задачи структурно-параметрической модификации технологических процессов механической обработки с учетом технологической наследственности. Затем, был разработан методический подход, позволяющий осуществлять структурно-параметрическую модификацию формируемых технологических процессов изготовления детали с учетом технологического наследования, и предложен соответствующий алгоритм (рис. 4), включающий ряд алгоритмов формирования маршрутных технологических процессов обработки отдельных поверхностей на разных этапах обработки. В качестве примера приводится алгоритм формирования маршрутного технологического процесса обработки поверхности на чистовом этапе обработки поверхности (рис. 5).

Рис. 4. Алгоритм формирования технологических процессов с учетом явления технологического наследования

Эти (рис. 4 и рис. 5) и другие алгоритмы вошли в состав системы автоматизированного формирования технологических процессов обработки деталей с учетом технологической наследственности, предложенной автором и основанной на модульном принципе проектирования САПР (рис. 6). Предложенная схема основана на принципе последовательного уточнения и позволяет от уровня к уровню сужать область допустимых вариантов формируемого технологического процесса обработки, и выполнять его соответствующую структурно-параметрическую модификацию для обеспечения определенности изменения выделенных параметров поверхностного слоя.

Рис. 5. Модуль-алгоритм формирования чистового этапа маршрутного технологического процесса обработки поверхности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Принципиальная схема функционирования автоматизированной системы формирования технологических процессов

Если в результате проектирования получается более одного варианта маршрутного технологического процесса, выбор наилучшего из них предлагается производить путем расчета для всех вариантов критерия оптимальности, в качестве которого по выбору пользователя (технолога) может выступать себестоимость или производительность обработки. Таким образом, в качестве окончательного, выбирается такой вариант, который сформирован с учетом технологической наследственности и соответствует выбранному критерию оптимальности.

В четвертой главе рассмотрена практическая реализация результатов исследования. Анализ современных САПР показал возможность практической реализации результатов исследования путем внедрения в САПР ТП "TechCard". Разработанные алгоритмы расчетного определения операционных размеров были реализованы в виде отдельного программного модуля, и было организовано его взаимодействие с САПР ТП "TechCard" (рис. 7).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7. Взаимодействие САПР ТП "TechCard" и модуля расчета операционных размеров

Внедрение разработанных методик, алгоритмов и программных продуктов в САПР ТП "TechCard", выбранную в качестве базовой, позволила обеспечить автоматизированное формирование технологических процессов, их последующую структурно-параметрическую модификацию с учетом технологической наследственности и разработать соответствующий комплект документации.

При этом, соблюдалась следующая последовательность проектирования:

формирование исходных данных > формирование технологической модели детали > формирование базового маршрутного технологического процесса > моделирование изменения ожидаемых значений выделенных параметров поверхностного слоя > конкретизация технологических операций > определение наследственных характеристик процесса > подготовка технологического эскиза к расчету размеров > формирование сводной таблицы данных проекта расчета > выполнение расчета операционных размеров > простановка рассчитанных значений операционных размеров в технологические эскизы > оформление документации.

Апробация результатов исследований на практике показала, что внедрение разработанных автором программных продуктов позволяет обеспечить требуемое качество деталей машин при автоматизированном формировании технологических процессов изготовления деталей машин путем их структурно-параметрической модификации с учетом технологической наследственности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1) Предложенный в диссертационной работе подход к технологическому проектированию и расчету операционных размеров с учетом технологической наследственности позволяет разработчику технологического процесса установить взаимосвязь между параметрами качества поверхностного слоя и технологическими средами уровня операции и процесса, что снижает неопределенность в отношении достижения желаемых значений параметров качества предмета производства.

2) Учет одновременного воздействия теплового и силового факторов, обусловленных технологическими условиями механической обработки, при расчетном определении отдельных составляющих минимального припуска способствует повышению определенности моделирования изменения выделенных параметров качества обрабатываемых деталей в ходе технологического процесса и повышает точность определения минимального припуска.

3) Предлагаемый подход к процессу определения минимальных припусков на обработку делает возможным учет явления технологического наследования при расчете операционных размеров, что делает возможным целенаправленное формирование требуемых значений параметров качества поверхностного слоя, во многом определяющих эксплуатационные свойства изготавливаемых деталей.

4) Сформированная автором методика модификации технологических процессов с учетом термической обработки позволила при определенных ограничениях осуществлять моделирование возможных изменений параметров качества детали после термической обработки на основе предложенных моделей.

5) Разработанные на основании системного анализа подходов к структурной и параметрической модификации технологических процессов алгоритмы и процедуры позволяют сформировать маршрутный технологический процесс обработки поверхностей детали с позиций обеспечения требуемой размерной точности обработки деталей и явления технологического наследования.

6) Алгоритмы, реализованные в виде программных продуктов, позволяют автоматизировать процесс расчета операционных припусков и размеров и могут быть использованы при модернизации имеющихся и разработке новых систем комплексной автоматизации технологической подготовки производства.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Безъязычный В.Ф. Совершенствование САПР "Техкард" посредством автоматизации расчета операционных размеров [Текст]/ В.Ф. Безъязычный, С.А. Волков, А.Н. Рябов // Сборник докладов Международная научно-техническая конференция "Автоматизация и производственный контроль". Ч.1. - Тольятти; ТГУ, 2006. - С. 50-53.

2. Рябов А.Н. Разработка методики расчета операционных размеров с учетом влияния технологической наследственности [Текст]/ А.Н. Рябов // Научные труды Международной молодежной научной конференции XXXIII ГАГАРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ. - М.: МАТИ, 2007. Т.2. - С. 91-92.

3. Безъязычный, В.Ф. Автоматизация расчетного определения операционных размеров с использованием пакета программ "Техкард" [Текст]/ В.Ф. Безъязычный, С.А. Волков, А.Н. Рябов // Материалы, технологии и оборудование в производстве, эксплуатации, ремонте и модернизации машин: Сб. научн. трудов VI Международной научно-технической конференции. - Т. III. - Новополоцк, 2007. - С. 185-188.

4. Волков, С.А. Автоматизация расчетного определения технологических операционных размеров [Текст]/ С.А. Волков, А.Н. Рябов // Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности: Статьи и материалы IV Научно-практической конференции молодых ученых и специалистов. - Москва, 2007. - С. 573-577.

5. Волков, С.А. Расчет операционных размеров с использованием пакета программ "Техкард" / С.А. Волков, А.Н. Рябов // СТИН. - 2008. - №3 - С. 20.

6. Волков, С.А. Автоматизированное проектирование процессов с учетом эксплуатационных показателей деталей и их соединений / С.А. Волков, А.Н. Рябов // Справочник. Инженерный журнал. - 2008. - №8 - С. 56-62.

Размещено на Allbest.ru