1.2 Задачи и особенности управления

обработкой резанием

В автоматизированном производстве на процесс резания возложена задача функционального обеспечения на технологическом модуле обработки деталей требуемой точности формы и размеров и с заданным физико-механическим состоянием поверхностного слоя. При этом управление обработкой резанием складывается из априорного назначения исходных параметров управления (так называемая внешняя оптимизация) и изменения части из них в процессе резания на основе диагностирования (адаптивное управление, или "внутренняя" оптимизация). Выбирая оптимальное соотношение внешней и внутренней оптимизации, можно говорить об оптимизации управления обработкой резанием.

Основной задачей управления резанием в ГПС является обеспечение гибкости, производительности, экономичности, точности и качества. Решать ее необходимо на различных этапах создания и эксплуатации ГПС.

На этапе проектирования ГПС, выбирая номенклатуру и типоразмеры обрабатываемых деталей, следует учитывать принципиальную возможность обработки резанием, обрабатываемость, размеры припусков и характер их распределения, стабильность физико-механических свойств инструментальных и обрабатываемых материалов и др. На этапе проектирования ГПС, связанном с формированием ее структуры, требуется предварительный анализ производительности каждого станка (модуля) и системы в целом на основе расчетов режимов резания, подбора номенклатуры и требуемого количества режущего инструмента.

При проектировании технологических процессов изготовления деталей безусловна и очевидна роль внешней оптимизации с уточнением оптимальных параметров инструмента и режима резания, а при эксплуатации необходимо функциональное обеспечение процесса обработки путем внутренней оптимизации.

Обычно ГПС задается сменно-суточное задание по номенклатуре и числу обрабатываемых деталей для нормальной и стабильной работы системы с установившимися режимами резания. При изменении такого задания или непредвиденных отказах в ГПС необходимо решать новую задачу: при измененном маршруте обработки — переоптимизацня или, точнее, реоптимизация параметров режима резания. Реоптимизация, как правило, должна обеспечить более форсированный режим обработки, но ее осуществление связано с гибкостью системы.

Гибкость ГПС с точки зрения процесса резания зависит от использования в технологическом модуле простых и наиболее распространенных рабочих движений обработки, применения максимально возможного количества универсального режущего инструмента, большой вместимости инструментальных магазинов и широкой номенклатуры инструментальных материалов.

Поэтому не все детали, которые успешно обрабатываются на станках с ЧПУ, могут эффективно обрабатываться в ГПС. Анализ 666 деталей, проходящих обработку на станках с ЧПУ, показал следующее [53]. Из них 520, или 78 %, призматические, остальные 146, или 22 %, — детали типа тел вращения. Из 666 деталей только 141 деталь, или 21 % по своей форме, размерам, трудоемкости обработки и удобству крепления соответствуют требованиям обработки в ГПС. При первом закреплении около 90 % деталей крепят простыми зажимными средствами на плите-спутнике, для 6 % необходимы специальные приспособления. При втором креплении для 60 % деталей используют простые приспособления, для остальных требуются специальные.

По статистическим данным [29], распределение размеров у деталей типа тел вращения имеет следующий характер. Для коротких тел вращения диаметром до 180 мм и длиной до 80 мм около 70 % деталей имеют диаметр 90 ... 130 мм и 76 % деталей длину до 50 мм. У длинных тел вращения диаметром до 80 мм и длиной до 500 мм 82 % деталей имеют длину 100 ... 300 мм и 70 % деталей диаметр 20 ... 40 мм. Для призматических деталей наиболее предпочтительны пустотелые детали из чугуна и легких сплавов (64,7 %) с максимальными размерами 250Х Х250Х250мм (40%).

Повышенная гибкость обработки разнообразных по форме и размерам деталей может быть обеспечена за счет использования одного и того же режущего инструмента для обработки различных переходов одной или нескольких деталей и его работы на переменных режимах резания за период стойкости. Гибкость зависит от характера использования режущего инструмента. При одной установке детали на рабочей позиции станка в ГПС она обрабатывается одновременно (например, с помощью агрегатных головок) или последовательно несколькими режущими инструментами, возможен также вариант смешанного типа. Наибольшей гибкостью для переналадки технологического процесса обработки деталей различной номенклатуры обладает вариант последовательного применения инструмента.

Производительность ГПС. Рассмотрим влияние процесса резания, оцениваемого по его параметрам режима (скорости v, подачи S и глубины резания t) на производительность Q технологического модуля ГПС. Ее можно оценить как минутный съем материала

Q = vSt, (1.1)

но ее значение при постоянном режиме обработки для каждого режущего инструмента за его период стойкости будет постоянным. Возможные изменения глубины резания за счет нестабильного припуска на обработку несущественно повлияют на производительность, так как наибольшее влияние на съем материала оказывает значение v. Модификация формулы (1.1) в виде

Q' = vStT, (1.2)

т.е. съем материала за период стойкости Т инструмента, должна учитывать случайное распределение Т и также является случайной величиной. Стабильность стойкости прямо зависит от статистического распределения периода стойкости, в свою очередь, тесно связанного с параметрами режима резания, геометрии инструмента и инструментального материала. Ресурс работы инструмента по числу обработанных заготовок (поверхностей) в результате приобретает вероятностную природу, определяя надежность обработки резанием.

Производительность станка (обрабатывающего центра) при обработке одной заготовки с k переходами определяется как

, (1.3)

а при обработке m заготовок как

, (1.4)

где T_oi - основное или машинное время обработки i-го перехода; _Bi,- -вспомогательное время /-го перехода; _уст — время установки и переустановки заготовки в рабочей позиции станка.

Анализ (1.3) и (1.4) показывает, что производительность станка по числу обработанных заготовок в единицу времени практически можно повысить форсированием режима резания, сокращая основное время обработки, и концентрацией переходов на одном станке, за счет уменьшения доли т_уст.

Применение принципа концентрации переходов на рабочей позиции обусловлено рядом ограничивающих факторов. С одной стороны, их количество привязано к вместимости инструментального магазина, с другой - концентрация переходов усложняет управление обработкой в ГПС. Время цикла обработки на каждой рабочей позиции определяется конструктивно-технологическими особенностями деталей, возможностями станка по мощности, частоте вращения шпинделя, подачам, скоростям вспомогательных движений и может оказаться различным для каждой детали и отдельного станка ГПС. Это вносит определенные трудности в процедуру оптимизации загрузки оборудования и в выполнение сменно-суточного задания при большой номенклатуре обрабатываемых, деталей.

Для упрощения управлением обработкой в ГПС целесообразно применять принцип выравнивания времен обработки на каждой рабочей позиции или обеспечения их кратности. Реализация этих принципов имеет свои проблемы, так как необходимо синхронизировать большое количество переходов. Поэтому следует применять принцип оптимальной концентрации переходов на рабочей позиции, учитывающей выравнивание времени нахождения на каждой рабочей позиции и назначение оптимальных параметров режима резания.

Формирование параметров режима резания по всем приведенным формулам приводит к повышению производительности. Но на практике в соответствии с (1.2) ... (1.4) увеличение производительности обработки ограничивается определенными значениями s и t, но особенно v. Максимум производительности соответствует своей оптимальной скорости резания.

Экономичность обработки ГПС можно оценить через себестоимость одного перехода

, (1.5)

себестоимость обработки одной детали с k переходами

и себестоимость обработки т деталей на одном станке

где Е_с — стоимость станко-минуты работы станка; — затраты на эксплуатацию инструмента, отнесенные к j-му переходу.

На снижение себестоимости каждого перехода параметры режима резания аналогичным образом влияют так же, как и на увеличение производительности обработки. Но минимум себестоимости достигается при меньших значениях v по сравнению со скоростью резания, при которой обеспечивается максимум производительности. Очевидно, что управлять экономичностью обработки на станочном модуле ГПС надо не минимизацией себестоимости каждого отдельного перехода, а назначением условий резания, при которых достигается минимум себестоимости обработки к переходов одной детали или обработки т деталей, что обусловлено соотношениями [51]

Известно, что режимы резания, оптимальные с точки зрения максимума производительности и минимума себестоимости обработки, отличаются друг от друга. При наличии глобальных экстремумов этих двух целевых функций в области допустимых режимов резания поиск оптимальных параметров сводится к задаче многокритериальной оптимизации. Чаще встречается ситуация [34], когда оптимизация определяет условные экстремумы целевых функций, значения которых определяются границей допустимых значений оптимизируемых параметров режима резания. При этом задача оптимизации упрощается.

Надежность является сложным свойством, обусловленным безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью. Для технологического процесса А.С. Проников ввел определение надежности как его свойство обеспечивать изготовление продукции в заданном объеме, сохраняя во времени установленные требования к ее качеству. С этой точки зрения надежность должна быть привязана к конкретному времени, в течение которого система функционирует нормально. В противном случае надежность как категория теряет свой смысл для анализа и управления процессом резания. Поэтому о надежности процесса резания следует говорить только в определенный, наперед заданный интервал времени.

Надежность процесса резания как технологической системы зависит от надежности составляющих ее элементов: станка, приспособления, инструмента и заготовки (технологической системы) в условиях их взаимодействия. Целесообразно говорить о технологической надежности обработки как надежности, зависящей от технологических управляемых и неуправляемых факторов системы резания: стабильности статической и динамической жесткости элементов технологической системы, физико-механических свойств инструментальных и обрабатываемых материалов, припуска, изнашивания и поломок режущего инструмента и т.д. Физические основы технологической надежности резания заключаются в нестационарном и случайном характере явлений, протекающих в обрабатывающем материале и режущем инструменте при обработке.

Следует различать два аспекта технологической надежности. Во-первых, надежность собственно процесса резания по стабильности результатов обработки — производительности, экономичности, точности, шероховатости обработанной поверхности и физико-механическим свойствам поверхностного слоя детали в течение заданного времени. Во-вторых, надежность работы режущего инструмента как наиболее слабого элемента в технологической системе.

При управлении резанием в ГПС необходимо обеспечить заданную производительность процесса с минимальными затратами и высоким уровнем его надежности. Указанные требования находятся в противоречии. Повышение уровня надежности управления обработкой снижает экономические показатели: с увеличением вероятности выполнения технологических ограничений съем материала (1.1) и производительность (1.3) уменьшаются, а себестоимость обработки (1.5) повышается до 30 %. Поэтому технологическая надежность тесно связана с экономичностью обработки, а выбор уровня надежности всегда должен быть обоснован с экономических позиций.

Эффективное решение задач управления обработкой в ГПС может быть получено на основе решения новых для теории резания вопросов.

1. Разработка теоретических основ процессов механообработки при работе инструмента с переменными режимами резания за период его стойкости (прогнозирование его работоспособности, динамика и теплофизика процесса и др.).

2. Комплексная оптимизация конструктивно-геометрических параметров инструмента и режима резания, включая методы многокритериальной и стохастической оптимизации.

3. Разработка научных основ технологической надежности процесса резания для обеспечения стабильных и повышенных показателей производительности, экономичности и качества обработки.

4. Создание физических основ прогнозирования работоспособности и диагностики режущего инструмента в ГПС; выявление и исследование информативных диагностических признаков для создания эффективных систем технической диагностики.

5. Внедрение методов повышения износостойкости, прочности и надежности режущего инструмента для автоматизированного производства.