Теоретическое исследование надежности технологической системы деревообработки по параметру качества продукции "точность"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теоретическое исследование надежности технологической системы деревообработки по параметру качества продукции «точность»

Новоселов В.Г.

Технологическая система деревообработки в соответствии с ГОСТ 27.004-85 [1] включает в себя функционально взаимосвязанные и выполняющие в регламентированных условиях производства заданную технологическую операцию: средство технологического обеспечения - станок, предмет производства - деревянную заготовку и исполнителя - станочника по деревообработке. По ГОСТ 27.202-83 [2] точность является одним из основных показателей надежности технологической системы по параметрам качества изготавливаемой продукции.

Обработка древесины и древесных материалов в станках характеризуется [3] высокими значениями скорости резания (V >30 м/с), коэффициента трения (f=0,2…0,5), температуры в зоне резания (t=800…840С) и удельного давления в контакте инструмента с древесиной (p=400…5000 МПа). Такие жесткие режимы эксплуатации приводят к высокой интенсивности изнашивания инструмента быстрому его затуплению, потере режущих свойств и снижению точности обработки. В результате фактические размеры обработанной детали выходят за пределы соответствующих допусков, происходит отказ и наступает неработоспособное состояние технологической системы по параметру качества продукции «точность».

Знание закономерности наступления этого состояния в зависимости от конструктивно-технологических факторов процесса обработки древесины позволит объективно устанавливать период стойкости инструмента, время подналадки оборудования и рационально организовать его эксплуатацию и техническое обслуживание.

В ГОСТ 27.301-95 [4] предусмотрены физические методы расчета надежности, основанные на применении математических моделей, описывающих физические, химические и иные процессы, приводящие к отказам объекта, и вычислении показателей надежности по известным параметрам нагруженности объекта, характеристикам применяемых в объекте веществ и материалов, с учетом особенностей его конструкции и технологии изготовления.

Физическая модель, описывающая потерю точности в деревообработке по мере износа инструмента, и закономерности возникновения соответствующих отказов приведена в работе [5].Средняя наработка до отказа T1 определяется через математические ожидания параметров по формуле

(1)

где d - допускаемое отклонение поверхности обработки от ее номинального расположения, мкм; гД - интенсивность изнашивания инструмента мкм/м; n - частота вращения инструмента, мин-1; l - длина дуги контакта инструмента с древесиной, мм; е - вспомогательная величина; е0 - относительная остаточная деформация древесины под поверхностью резания.

, (2)

где - угол заострения; - задний угол лезвия.

, (3)

где П - припуск на обработку; Dр - диаметр окружности резания.

Гамма-процентная наработка до отказа при г=80% определяется по формуле

(4)

Среднее квадратическое отклонение наработки до отказа уt определяется через дисперсию D{t} как для функции случайных величин

(5)

В свою очередь

(6,7)

Ниже приведены формулы для определения частных производных:

(8-11)

(12-15)

(16,17)

Исследование надежности технологической системы деревообработки по параметру качества продукции «точность» производилось методом численного эксперимента на основе разработанной физической модели расчета. Задачей эксперимента являлось определение количественной зависимости гамма-процентной наработки до отказа непосредственно от факторов процесса обработки древесины.

Ввиду многомерности модели исследование проводилось в два этапа. На первом этапе оценивалась чувствительность модели к изменению факторов, подверженных рассеянию, в малых окрестностях около средних на диапазонах своих допустимых значений. Для проведения эксперимента все факторы были распределены на фиксированные и варьируемые.

Фиксированными факторами принимались:

вид обработки - продольное цилиндрическое фрезерование;

тип, модель станка - односторонний рейсмусовый СР6-10;

порода древесины - сосна;

влажность - 12 %;

толщина заготовки - 50 мм.

В качестве варьируемых факторов приняты параметры, входящие аргументами в правые части формул (1-3), а также их дисперсии, входящие в правые части формул (5-7). Диапазоны варьирования факторов - параметров формул (1-3) - от их основного уровня принимались равными средним квадратическим отклонениям в пределах их допустимых по ГОСТ (или достижимых) отклонений. Дисперсии факторов принимались в соответствии с их средними квадратическими отклонениями. Варьирование дисперсий производилось на уровнях допустимых погрешностей инженерных расчетов в пределах +3%.

Основным, определяющим точность обработки, является смещение d (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Начальное положение лезвия режущего инструмента задается при размерной настройке станка так, чтобы поле рассеяния фактических размеров обработанных деталей д не выходило за пределы поля допуска размера детали по чертежу р, и имелся определенный запас на износ инструмента. Очевидно, что при такой настройке, когда центры распределений фактических размеров и размеров, назначенных по чертежу детали, совпадают, получим нижний предел . По ГОСТ 7228-75 [6] допуск на равномерность толщины заготовки после пробной обработки на станке составляет 0,15мм. Допуск на толщину изготовленных сопрягаемых деталей столярно-строительных изделий по ГОСТ 6449.1-82 [7] должен быть по 12 квалитету 0,25 мм. Учитывая фрезерование c одной стороны, примем д=0,075мм и р=0,125 мм. Отсюда =0,025мм. При настройке на совпадение нижних границ допусков на пробную обработку и на размеры по чертежу допускаемое смещение увеличивается, и получаем верхний предел =0,05 мм.

Интенсивность изнашивания зависит от материала инструмента, вида обработки, режима и пути резания, от породы древесины. Она оценивается для стального инструмента величиной гД=0,0008…0,0020 мкм/м [8].

Частота вращения инструмента для двухстороннего рейсмусового станка С2Р12-3 составляет =4570 мин-1. Ее дисперсия связана с изменением под нагрузкой скольжения в электромагнитной системе двигателя (smax?0,02) и упругого скольжения в ременной передаче (оmax?0,02). Суммарная величина диапазона рассеяния может достигать n=+0,03n.

По ГОСТ 7307-75 [9] припуск на обработку составляет 4,5 мм на две стороны. Предельные отклонения размеров пиломатериалов при заданной толщине + 2,0 мм, следовательно предельные значения припуска на одну сторону составят П=(4,5-2)/2 …(4,5+2)/2=1,25…3,25 мм.

Диаметр окружности резания для данного станка =128 мм, его поле допуска при тщательной настройке 0,05мм.

Номинальный угол заострения ножей составляет (0,6981рад), задний угол (0,2618 рад). Предельные отклонения углов + 20 (0,0349 рад).

Относительная остаточная деформация древесины под поверхностью резания принята е0 =0,15…0,25.

Принятые значения факторов, их допускаемые отклонения, дисперсии, средние квадратические отклонения, уровни варьирования, кодированные обозначения приведены в табл.1. Учитывая поставленную задачу выявления степени влияния каждого отдельного фактора на гамма-процентную наработку до отказа и малые диапазоны их варьирования, определялась линейная регрессионная зависимость без учета взаимодействий вида

. (18)

Ввиду большой размерности модели (n=16) при проведении эксперимента использовался дробный план типа 2n-m, где m-количество независимых факторов, которые заменили в матрице плана пренебрежимо малые взаимодействия (m=8). Таким образом, количество опытов в численном эксперименте сокращено с 65536 до 256.

резание деформация древесина точность

Таблица 1 - Кодирование факторов численного эксперимента

Обработка результатов проведенного численного эксперимента дала значения коэффициентов уравнения регрессии (18), приведенные в табл.2.

Таблица 2 - Коэффициенты уравнения регрессии

Анализ данных таблицы показывает, что коэффициент b0 с точностью до 3 % совпадает со значением 80-процентной наработки до отказа, вычисленной по номинальным (средним) значениям параметров, входящих в формулы (1)-(17), что подтверждает адекватность линейной регрессионной модели. Сравнение коэффициентов регрессии указывает на то, что наибольшее влияние на 80-процентную наработку до отказа оказывает изменение таких факторов как: допускаемое смещение поверхности обработки; интенсивность изнашивания и припуск на обработку. Коэффициенты регрессии других факторов в рассмотренных диапазонах их варьирования составляют величины второго и выше порядка малости. При этом незначительное повышение наработки до отказа может быть достигнуто увеличением угла заточки лезвия инструмента, а также остаточной деформации древесины в зоне резания.

На втором этапе эксперимент проводился с целью исследования влияния наиболее значимых факторов на гамма-процентную наработку до отказа в более широком диапазоне их возможного изменения. Для этого величины малозначимых факторов и дисперсии параметров фиксировались на номинальном уровне, а три вышеуказанных параметра подвергались ступенчатому изменению в обе стороны от номинала с шагом, равным среднему квадратическому отклонению. При этом значения допускаемого отклонения поверхности обработки принималось в одном случае равным нижнему предельному, а в другом - верхнему предельному. Промежуточные значения ввиду линейной зависимости от этого параметра могут быть легко получены путем интерполяции.

Результаты исследования представлены объемными графиками на рисунке 2.

а б

Рисунок 2 - Зависимость 80-процентной наработки до отказа по показателю «точность» от интенсивности изнашивания инструмента и припуска на обработку при величине допускаемого смещения: а - 25 мкм; б - 50 мкм

На поверхности отклика различными цветами показаны диапазоны значений наработки до отказа. Как видно, влияние выбранных факторов на надежность технологической системы обработки древесины весьма существенно: при их крайних значениях 80-процентная наработка может изменяться от 0,815 до 11,524 часа, то есть более чем в 14 раз. Влияние различных факторов существенно и сопоставимо между собой. То есть одного и того же результата в повышении надежности можно достичь повышением износостойкости инструмента или уменьшением припуска на обработку, или увеличением допускаемого смещения поверхности обработки.

Повышение износостойкости инструмента является традиционным путем, однако и самым дорогостоящим.

Уменьшение припуска на обработку по сравнению с рекомендуемым ГОСТ 7228-75 возможно путем получения столярных заготовок не непосредственно из продукции лесопиления, а, например, переработкой необрезных пиломатериалов в заготовки круглопильных станках, дающих более высокую точность и меньшую шероховатость поверхностей, подлежащих дальнейшему фрезерованию.

Допускаемое смещение поверхности обработки может быть увеличено путем более точной предварительной настройки станка и инструмента на нижний предел получаемого размера детали.

Проведенные теоретические исследования позволяют расчетным путем определять рациональный период стойкости инструмента по принятому показателю и намечать пути его повышения за счет наиболее экономически целесообразных и технически возможных решений.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ГОСТ 27.004-85 Надежность в технике. Системы технологические. Термины и определения. [Текст]. Взамен ГОСТ 22954-78; введ. 1986-07-01. М.: Госстандарт России: изд-во стандартов, 2002. 18 с.

2. ГОСТ 27.202-83. Надежность в технике. Технологические системы. Методы оценки надежности по параметрам качества изготовляемой продукции. [Текст]. Введ. 1984-07-01. М.: Изд-во стандартов, 1984. 50 с.

3. Глебов И.Т. Справочник по резанию древесины [Текст] / Глебов И.Т., Новоселов В.Г., Швамм Л.Г.; Урал.гос.лесотехн.акад. Екатеринбург, 1999. 190 с.

4. ГОСТ 27.301-95. Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения. [Текст]. Введ. 1997-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1996. 10 с.

5. Новоселов В.Г. Физический метод расчета надежности технологической системы деревообработки по параметру качества продукции «точность» [Текст] / В.Г.Новоселов, И.Т.Глебов // Надежность и качество: материалы международного симпозиума, Пенза, 25-31 мая 2006 г./ Пензенский гос.техн.ун-т. - Пенза, 2006. - С. 276-278.

6. ГОСТ 7228-75. Деревообрабатывающее оборудование. Станки рейсмусовые. Нормы точности. [Текст]. Введ. 1976-07-01. М.: Изд-во стандартов, 1986. 7 с.

7. ГОСТ 6449.1-82. Изделия из древесины и древесных материалов. Поля допусков для линейных размеров и посадки [Текст]. Введ. 1982-03-26. М.: Изд-во стандартов, 1991. 21 с.

8. МоисеевА.В. Износостойкость дереворежущего инструмента. [Текст] / А.В.Моисеев. - М.: Лесн.пром-сть, 1981. 112 с.

9. ГОСТ 7307-75. Детали из древесины и древесных материалов. Припуски на механическую обработку. [Текст]. Введ. 1977-01-01. М.: ИПК Издательство стандартов, 2002. 15 с.

Размещено на Allbest.ru