| Повышение качества изготовления корпусных деталей оболочкового типа на основе управления вибрацией технологического оборудования
Диссертация
Автор: Раменская, Елена Владимировна
Название: Повышение качества изготовления корпусных деталей оболочкового типа на основе управления вибрацией технологического оборудования
Справка: Раменская, Елена Владимировна. Повышение качества изготовления корпусных деталей оболочкового типа на основе управления вибрацией технологического оборудования : диссертация кандидата технических наук : 05.02.08 / Раменская Елена Владимировна; [Место защиты: ГОУВПО "Сибирский государственный аэрокосмический университет"] Красноярск, 2008 165 c. :
Объем: 165 стр.
Информация: Красноярск, 2008
Содержание:
Введение
1 Анализ технологических принципов управления формированием 13 виброактивности металлорежущих станков
11 Виды колебаний металлорежущих станков, влияющих на 15 технологический процесс
12 Принципы управления формированием виброактивности в технологических процессах изготовления изделий
Выводы
2 Теоретические основы повышения качества в технологии производст- 35 ва корпусных деталей оболочкового типа
21 Функциональные связи параметров шероховатости обрабатываемой 37 поверхности с компонентами вибрации металлорежущих станков
22 Принципы управления формированием структуры технологического 45 процесса механической обработки
23 Теоретические предпосылки вибрационного анализа технологическо- 50 го оборудования
24 Параметрическое моделирование динамики шпиндельных сборок на подшипниках качения
25 Математическое моделирование оболочкового регулятора для опор 60 качения
26 Математические модели компонент вибрации металлорежущих стан- 63 ков
27 Анализ результатов моделирования вибрационных компонент
28 Добротность металлорежущих станков 79 Выводы
3 Экспериментальные исследования
31 Ранжирование видов колебаний
32 Методика экспериментирования
33 Статистическая обработка результатов экспериментов
34 Анализ записей вибрационных процессов по осциллограммам
35 Анализ теоретических расчетов виброкомпонент с учетом проведен- 96 ных экспериментов
36 Анализ погрешности обработки обечаек вращения 97 Выводы
4 Рекомендации по применению технологических принципов управле- 101 ния формированием виброактивности МРС
41 Рекомендации по разработке структурной схемы маршрутного техно- 101 логического процесса
42 Рекомендации по нормированию компонент вибрации
43 Рекомендации по технологии анализа виброактивности металлорежу- 104 щих станков
44 Оптимизация конструктивной схемы МРС
45 Рекомендации по применению упругодемпфирующих оболочек закры- 108 того типа
Введение:
Все индустриально развитые страны в своей практической деятельности исходят из того, что XXI век - это век науки и высоких технологий, жесткой международной технологической конкуренции. Большинство из них прилагают максимум усилий с целью укрепления научно-технического потенциала, расширения инвестиций, ускорения темпов научно-технического развития. На долю семи высокоразвитых стран приходится 80 - 90% всей наукоемкой продукции (доля России составляет около 0,3%). «Без сохранения и развития машиностроения экономика России обречена на стагнацию и вымирание» [1]. Станкоинструментальная промышленность — сердцевина машиностроительного комплекса, создающая его основные фонды и определяющая научно-технический уровень производства, должна непрерывно развиваться совместно с наукой, это позволит улучшать технические характеристики металлорежущих станков, создавать новые прогрессивные и конкурентоспособные конструкции. Внедрение новых технологий производства изделий авиационно-космической техники непосредственно связано с использованием прогрессивного технологического оборудования-(ТО).
Технологическое оборудование, как класс, включает множество категорий и разновидностей, из которых основными являются металлорежущие станки и оборудование: кузнечно-прессовое, литейное, сварочное, деревообрабатывающее, испытательное, обеспечивающими технологические процессы изготовления! изделий машиностроения. Состав технологического оборудования, формирущего качественные показатели изделий более 65% содержит металлорежущие станки. Традиционно металлорежущие станки (МРС) определяют, как машины для- размерного формобразования поверхностей методом снятия- стружки. Типовые требования, предъявляемые к станкам, связаны с технологическим процессом формирования геометрии обрабатываемых деталей, обеспечения- определенных характеристик микронеровностей и реализацией заданного качества поверхностей при* рациональной производительности обработки. Качество продукции - совокупность свойств, обуславливающих пригодность продукции удовлетворять определенным потребностям в соответствии с ее назначением (ГОСТ 15467-79).
По данным института машиноведения РАН в развитых в экономическом отношении стран, таких как США, Япония и Германия объем продукции машиностроения занимает порядка 50% от общего объема промышленной продукции. В России в последние годы доля машиностроения не превышает 17% в общем объеме промышленной продукции [2, 3].
Поддержание наметившейся тенденции к оздоровлению экономики России, смещение финансовых интересов из добывающих в производящие отрасли, решение проблем удвоения ВВП и превращение машиностроительных предприятий в категорию инвестиционно привлекательных в определенной степени' зависит от выверенности задач машиностроительного производства, а также соразмерности и эффективности технологической базы, используемой предприятиями для решения этих задач. Осознанная необходимость кардинальных перемен, диктуемых сложившейся ситуацией, современные российские машиностроительные предприятия далеки от совершенства и пока не обладают ни достаточными способностями для выявления и оценки профильных задач, возникающих на быстро изменяющемся рынке, ни способностью целенаправленно создавать или трансформировать технологические ресурсы для их адекватного решения.
Совокупность технологических ресурсов предприятия образует технологическую среду. Традиционное решение проблемы обеспечения необходимой технологической средой сводится к выявлению и замене отдельных технологических процессов на новые, более совершенные. Причем это касается как основного (станочного) оборудования, так и в равной степени относится к элементам интеллектуального труда, реализуемых с помощью информационных технологий, что позволяет определять среду предприятия как информационно-технологическую.
Значительным, а для ряда случаев принципиальным недостатком такого подхода является то, что достижение целей происходит за счет «подтягивания» отдельных элементов, в то время как уместность, целесообразность и адекватность информационно-технологической среды в целом не ставится под сомнение и не оценивается. Вследствие такой многолетней практики предприятия машиностроения утратили первоначальное предназначение и стали «целенеопределеными» и зависимыми от хаотически сформированной информационно-технологической среды [4]. Понятие технологии производства базируется на трех основных её составных частях: научных принципах, орудиях труда и специалистов, владеющих профессией. Из известных двадцати шести критических технологий, как минимум девять технологий: наноматериалов; атомной энергетики; водородной энергетики; мехатроники и создания микросистемной техники; переработки и утилизации техногенных образований; создания биосовместимых материалов; создания и обработки композиционных и керамических материалов, кристаллических материалов, полимеров и эластомеров, энергоэффективных двигателей и движителей для транспортных систем - включают обработку деталей на металлорежущих станках, к которым предъявляются специальные технологические требования по режимам обработки и динамическим процессам, сопровождающих обработку изделия. С 1990 г по 2007 г в России снизился выпуск металлорежущих станков примерно с 67 тысяч единиц до 7 тысяч единиц, до сих пор количественный и качественный уровень станкостроительной, продукции не поднялся до* депрессионного уровня. Динамика выпуска технологических машин* в России'приведен на рисунке 1.
60 30 20 10 0
1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
•0—МРС -«—ДОС —Д—МЛ -т— МКП ГОДЫ
МРС - металлорежущие станки; ДОС - деревообрабатывающие станки;
MJI - машины литейные; МКП - машины кузнечно-прессовые Рисунок 1 — Выпуск технологических машин в России
Состояние металлообрабатывающего оборудования в-России близко к критическому пределу, более 2/3 нуждается в замене, что в общем случае может привести к утрате технологической независимости страны. При решении создавшейся проблемы можно либо модернизировать существующее оборудование, либо создавать новые конструкции, либо приобретать импортное оборудование.
Как известно, целью и основной задачей фундаментальных исследований является раскрытие закономерностей, явленийи процессовj создания научных основ принципиально новых технологий, формирующих конкурентоспособность изделий. Успехи в развитии техники в основном связаны с новыми технологическими процессами [5], включая высокие технологии и освоение критических технологий прецизионной обработки материалов. При создании новых конструкций МРС для увеличения качества, производительности и эффективности труда;, необходимо учитывать требования прочности, жесткости m устойчивости конструкции, все эти показатели затрагивают вопросы вибрации. Уровень виброактивности металлорежущих станков должен закладывается в процессе их проектирования, и регламентироваться^ в технологических процессах изготовления изделий, однако успешному решению1 проблемы^ снижения виброактивности препятствует отсутствие четко сформулированных и систематизированных теоретических разработок с анализом конструктивных параметров станков. Реализация? идеи: снижения вибрации станков в технологии производства изделий повысит долю эксплуатрируемого прогрессивного металлообрабатывающего оборудования и качество г выпускаемой продукции [6; 7, 8• 9, 10].
Актуальность;работы. Главной составляющей научно-технического прогресса является освоение новых технологий производства изделий машиностроения. Технология производства,, обеспечивающая, качественные показатели товарной-продукции, формирует функциональные требования, к точности,, жесткости и вибрации технологическогоюборудования; (ТО), в частности металлорежущих станков» (МРС).
Отличительной особенностью современной- технологии машиностроения» является освоение высокоскоростных режимов резания при максимальных скоростях подачи в процессе обработки прецизионных деталей.
Технологические процессы резания характеризуются значительной виброактивностью на всех режимах работы металлорежущих станков. Обеспечение высокой точности и качества обработки деталей изделий авиационно-космической техники (АКТ) без снижения производительности при управляемой вибрации МРС является важнейшей проблемой, требующей решения. Значимость и важность проблемы снижения виброактивности возрастает при освоении новых технологических процессов, требующих создания нестандартных МРС нового поколения. Успешному решению проблемы освоения высоких технологий препятствует недостаточное наличие теоретических разработок в области конструирования шпиндельных сборок ТО с малой виброактивностью. Создание ТО с нормированной виброактивностью, сформированной с учетом современных требований и принципов технологического управления динамическими процессами является основной задачей повышения их технического уровня. Реализация идеи снижения виброактивности повышает долю ТО, соответствующего мировому уровню по параметрам точности и производительности на 25% - 35%, а вновь разрабатываемых до 100%, по эффективности эквивалентной 15% стоимости ТО. Решаемая в диссертационной работе проблема является составной частью цикла научно-исследовательских работ университета по созданию, исследованию и внедрению в производство прогрессивного ТО, проведенных в соответствие с научным направлением кафедры «Технологии машиностроения» СибГАУ. Раскрытие закономерностей влияния вибрации ТО1 на точность и качество механической обработки деталей позволит активно управлять технологическим процессом изготовления конкурентоспособной продукции АКТ. Кроме того, актуальность выполненных исследований обусловлена новизной постановки задач, раскрывающих влияние вибрационных процессов на точность и качество технологических процессов, включая конструкции станков.
Целью работы является повышение качества и точности изготовления корпусных деталей оболочкового типа на основе раскрытия принципов формирования вибрационных процессов шпиндельных сборок технологического оборудования, используемого в технологии производства изделий авиационно-космической техники.
Реализация поставленной цели позволит принимать целенаправленные решения при создании новых технологических процессов с регламентированной виброактивностью станков, проектировать быстроходные универсальные шпиндельные сборки прецизионного класса с необходимыми компонентами вибрации: виброперемещения, виброскорости и виброускорения.
В данной работе теоретические исследования выполнены с использованием основных положений технологии машиностроения, теории малых колебаний, теории упругости, аппарата системного анализа. В экспериментальных исследованиях применялись специальные методики, стандартные приборы-, и оборудование, методы прикладной статистики. Для разработки программного и математического обеспечения использованы методы системного анализа1 и компьютерного моделирования.
В качестве объекта исследования рассмотрены технологические процессы и оборудование производства авиационно-космической техники. Для экспериментальных исследований и динамических измерений служили специальные фрезерные станки, а также станки токарной и шлифовальной групп.
Предметом исследования явились технологические процессы фрезерования корпусных тонкостенных деталей, однородные физические величины поступательного движения точки упругого тела, характеризующие вибрацию, а также параметрическая точность и шероховатость поверхности обработанной детали. Признаками, на основании которых производилась оценка качества приняты: шероховатость поверхностного слоя, компоненты вибрации: виброскорость и виброускорение.
Основные задачи работы: установление связей и построение математических моделей точности и качества обработки деталей-с компонентами вибрации.станка; разработка математических моделей компонент вибрации ТО; создание образно-знаковой модели синтеза технологического процесса с учетом нормированной вибрации и ресурса технологической точности; разработка функции для» оценки добротности технологических систем; разработка рекомендации по нормированию вибрации фрезерных станков.
В данной работе под термином инструментарий понимается совокупность аппаратно-программных средств и методических приемов функционального анализа качества конструкций станков, систем параметров и понятий предметной области и формальной модели, используемых в процессе исследования, проектирования, испытания, изготовления нового прогрессивного технологического оборудования. В работе также учтены и использованы нормативы по технологическому и вибрационному контролю машин и оборудования, международные стандарты ИСО, действующие ГОСТы России.
Научная новизна работы:
1 Предложена и теоретически обоснована методология управления виброактивностью на стадии разработки технологического процесса и оборудования.
2 Получены новые математические модели шероховатости и точности обработанной поверхности, увязанной с компонентами, вибрации технологического оборудования.
3 Получена математическая модель ресурса точности металлорежущего станка с учетом вибрационных процессов.
4 Разработана математическая модель добротности технологического, оборудования по - вариации амплитуды виброскорости.
5 Установлено, что поля допусков размеров.обрабатываемой детали влияют на виброактивность, технологического оборудования:
Практическая значимость работы.
Разработаны численные методы и программные комплексы для функционального анализа технологических процессов и прикладных исследований, виброактивности проектируемого технологического оборудования, используемого в технологии изготовления изделий^авиационно-космической техники.
Предложены новые рекомендации по нормированию компонент вибрации? проектируемых и эксплуатируемых фрезерных станков, используемых в производстве АКТ.
Создан алгоритм численного решения задач по снижению вибрации ТО и прикладная программа «Велоракс», являющихся инструментарием управления формированием виброактивности металлорежущих станков в технологии производства изделий АКТ.
Результаты исследования используются в учебном процессе при ведении дисциплин «Металлорежущие станки»,, «Проектирование нестандартного оборудования», «Проектирование машиностроительного производства» по специальности 151001 «Технология машиностроения».
Рекомендации по снижению виброактивности конструкции станка использованы при экспертизе динамических характеристик разрабатываемого специального фрезерного станка для обработки корпусных деталей АКТ предприятием ФГУП «Красмаш».
На защиту выносятся следующие положения:
• математическая модель связи параметров качества и точности механической обработки с компонентами вибрации;
• образно-знаковые модели технологических процессов изготовления изделий АКТ;
• новый метод численного анализа конструкций станков с применением специальной функции вибрации;
• технология проектирования, обеспечивающая создание металлорежущих станков с нормированной вибрацией,и требованиями технологического процесса;
• результаты теоретических и экспериментальных исследований, станков шпиндельного класса,
• методика расчета ресурса технологической точности металлорежущих станков с учетом вибрации,
• математическая модель добротности технологического оборудования по вариации пиковой виброскорости механизма главного движения;
• методика и принципы управления формированием и снижением виброактивности средств технологического оснащения в процессе их разработки и эксплуатации;
• алгоритмы и программный комплекс функционального анализа конструкций ТО, используемых в технологических процессах высоких технологий.
Г Анализ технологических принципов управления формированием виброактивности металлорежущих станков
Технологический процесс изготовления детали на МРС постоянно сопровождается вибрационными процессами различной природы. Вибрация, возникающая при ведении технологического процесса механической обработки деталей и трансформируемая со смежных объектов, влияет на рабочие процессы, протекающие в конструкции механизмов металлорежущих станков. Существуют определенные термины и определения в области вибрации, причем они очень разнообразны, в работе применены терминологии в основном по ГОСТ 24346 [11], а так же буквенные обозначения по ГОСТ 24347 [12]. Вибрация (от лат. vibratio - колебание, дрожание) - движения точки или механической системы, при котором происходят колебания его скалярных величин. Механические колебания - колебания значений кинематической или динамической величины, характеризующей механическую, систему.
В процессе механической обработки детали в технологической машине возникают различные виды вибрации, возбуждаемыми процессами:
• динамическими или силовыми, когда внешние колеблющиеся силы или моменты сил, не зависящие от состояния вибрируемой системы, приложены к одному или нескольким инерционным элементам этой системы, например, сила резания или инерционная сила от работающего привода;
• кинематическими, когда одной или нескольким точкам вибрируемой системы из вне сообщаются колебания, не зависящие от ее состояния, например, от погрешности изготовления деталей станка;
• параметрическими, когда вибрация системы возбуждается не зависимыми от ее состояния изменениями значения одного или нескольких параметров, например, изменение жесткости отдельных элементов станка или изменение момента инерции [13, 14];
• автоколебаниями, когда вибрация поддерживается за счет поглощения порции энергии от постоянного источника, например от внутренних или внешних источников, подводящих энегрию неколебательного типа. Автоколебательные системы можно разделить на два типа: первый тип сочетает в себе обычную колебательную систему, состоящую из массы и упругости (например, тело на пружине), и источник энергии с соответсвующим регулирующим усройством, способным включать и выключать подвод энергии к системе; второй тип характерезуется тем, что от источника энергия подводится к некотрому накопителю, а переключатель осуществляет то подвод энергии к накопителю, то отвод энергии от него, в результате чего происходят периодические движения некоторого элемента вперед-назад [15, 16, 17].
Вибрация действует непосредственно на станок и его конструктивные узлы из внешней среды или возникает в результате работы станка [18]. Полезная вибрация используется для выполнения» различных технологических операции, например при хонинговании, вибрационной транспортировке отдельных тел, уменьшении эффективных коэффициентов сухого трения [16]. Вредная вибрация может возбуждаться каждым из перечисленных выше способов*. Вредная вибрация в- MPG приводит к нарушению режима работы, влияет на, показатели качества станка, такие каю надежность, производительность, точность [19].
Действие вибрации на организм человека различно в зависимости от того, вовлечен ли в нее весь организм (общая вибрация) или его часть (местная- или* локальная вибрация). Человек непосредственно воспринимает вибрацию лишь в ограниченном низкочастотном диапазоне. Биологическое действие вибрации зависит от ее частоты: колебания частотой до 15Гц вызывает смещение тела и органов (реакцию вестибулярного аппарата); до 25Гц - воспринимаются- как отдельные толчки,-вызывают костно-суставные изменения; от 50 до 250Рц — влияют на нервную систему, вызывают сосудистые реакции, вибрационную болезнь; при более высоких, ультрозвуковых частотах происходит переход механической энергии в- тепловую, наблюдается бактерицидное, кавитационное действие вибрации.
Для оценки технического состояния механизмов, выполняющих определенный технологический процесс, можно использовать вибропараметры: виброперемещение, виброскорость, виброускорение, виброрезкость, и их логарифмические уровни. Особенностью указанных параметров является их высокая информативность и чувствительность, а также оперативность, что подтверждает целесообразность использования виброметрии в процессе исследований.
|