Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”

Луценко Максим Олександрович

УДК 621.91

Підвищення продуктивності процесу обробки 3–D поверхонь на фрезерних верстатах з ЧПУ

Спеціальність 05.02.08 – технологія машинобудування

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технології машинобудування Національного технічного університету України “КПІ”.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Петраков Юрій Володимирович,
Національний технічний університет України “КПІ”, м. Київ,
завідувач кафедри технології машинобудування

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Лупкін Борис Володимирович,
Національний технічний університет України “КПІ”, м. Київ,
професор кафедри інструментального виробництва;

кандидат технічних наук, доцент
Кирилович Валерій Анатолійович,

Житомирський інженерно-технологічний інститут, м. Житомир,
декан факультету інформаційно-комп’ютерних технологій.

Провідна установа: Український науково-дослідний інститут авіаційної технології (м. Київ).

Захист відбудеться “16“ грудня 2002 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.11 у Національному технічному університеті Україна “КПІ” за адресою:
м. Київ, пр. Перемоги, 37.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “КПІ” за адресою: м. Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “8“ листопада 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Кузнєцов Ю.М.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В сучасному машинобудуванні з року в рік зростає кількість деталей з 3–D поверхнями: матриці, пуансони, прес-форми, аеро– та гідродинамічні поверхні літальних апаратів, турбін, елементи корпусів та ін. Виходячи з того, що фрезеруванням можуть бути з визначеною точністю оброблені практично будь-які поверхні, а верстати з ЧПУ завдяки своїм технологічним можливостям перевищують всі інші типи верстатів, тому при попередній обробці 3–D поверхонь в більшості випадків застосовують фрезерні верстати з ЧПУ.

Сучасні САП автоматизують розрахунок УП для верстатів з ЧПУ, виходячи з концепції геометричного формоутворення поверхні деталі, без урахування процесів, що протікають при різанні. Відомо, що процес обробки 3–D поверхонь є суттєво нестаціонарним, тому це призводить до формування значної похибки обробки і зменшення продуктивності та точності відтворення поверхні деталі. Таким чином для підвищення продуктивності та точності обробки актуальною задачею є розробка програмно–математичного забезпечення САП фрезерної 3–D обробки, що дозволить розрахувати УП з урахуванням процесів, що протікають при різанні в пружній технологічній оброблювальній системі.

Іншим напрямком в підвищенні продуктивності процесу обробки 3–D поверхонь є підвищення ступеня конформності поверхні деталі і вихідної інструментальної поверхні. При цьому з підвищенням ступеня конформності зменшується універсальність інструментального пристосування, що використовується. Виходячи з цього, актуальною задачею є розробка інструментального пристрою, з вихідною інструментальною поверхнею, що змінюється в процесі обробки та дозволяє обробляти як опуклі так і увігнуті поверхні.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано згідно держбюджетної теми №2448, державний реєстраційний номер 0100V000732 “Розробка комп’ютерної технології автоматизації обробки різанням тривимірних поверхонь деталей машин ” у відповідності з тематичним планом Держбюджетних науково–дослідних робіт НТУУ “КПІ”, який затверджено департаментом координації наукових досліджень вищих навчальних закладів та зведеного планування Міносвіти та науки України в 2000 році за пріоритетним напрямом “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” по науково–експертній Раді за фаховим напрямом “Машинобудування”.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є підвищення продуктивності процесу обробки 3–D поверхонь на фрезерних верстатах з ЧПУ шляхом управління технологічним процесом формоутворення через програмно–математичне забезпечення САП, що враховує особливості процесу різання при формоутворенні 3-D поверхонь в замкненій технологічній оброблювальній системі, а також створення інструментального пристосування з формоутворюючою інструментальною поверхнею, що управляється в процесі різання і дозволяє підвищити ступінь конформності вихідної інструментальної поверхні і поверхні, що обробляється.

Для досягнення даної мети необхідно вирішити наступні основні задачі:

1.

2.

3.

4.

Об’єкт дослідження – процес обробки 3–D поверхонь на фрезерних верстатах з ЧПУ.

Предмет дослідження – програмне забезпечення САП фрезерної 3–D обробки, інструментальні пристрої зі змінною формоутворюючою інструментальною поверхнею.

Методи дослідження. Розробка математичної моделі та метода управління проводилась на основі положень теорії автоматичного управління. Визначення геометричних, силових характеристик процесу обробки та розрахунок вектора пружної деформації ґрунтувалося на базі аналітичної та дискретної геометрії, теоретичної механіки, технології машинобудування та теорії різання. Розробка інструментального пристосування проводилась з використанням методів та положень теорії проектування ріжучих інструментів та теорії механізмів і машин. Експериментальні дослідження проводилися у виробничих умовах з використанням фрезерних верстатів та в лабораторних умовах з використанням ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів:

· Вперше розроблено структурно–параметричну модель процесу фрезерування 3–D поверхонь на 3и координатних верстатах з ЧПУ, з використанням кінцевої сферичної фрези, яка враховує суттєву нестаціонарність процесу обробки та замкненість пружної технологічної оброблювальної системи.

· Удосконалено методику визначення складових сили різання, що дозволило застосовувати її при автоматизованому розрахунку на ЕОМ та методику визначення величини пружних переміщень ТОС, яка дозволяє урахувати не лінійність характеристик пружної ТОС.

· Запропоновано технологічні принципи САП для управління процесом формоутворення, завдяки автоматичному проектуванню траєкторій при фрезеруванні 3-D поверхонь, що базуються на постійній, в кожному рядку або постійній по рядку (в кожній точці рядка) величині гребінця, що не зрізається.

· Вперше запропоновано, для збільшення продуктивності обробки опуклих та увігнутих 3–D поверхонь на фрезерних верстатах використовувати інструментальні пристрої, які забезпечують найбільшу конформність вихідної інструментальної поверхні та поверхні деталі, за рахунок додаткового управління ріжучими елементами, які встановлені в корпусі з можливістю переміщення у напрямку, що співпадає з віссю обертання головного руху.

Новизна запропонованих рішень підтверджена патентами України на винахід: 34540А, 38409А

Практичне значення одержаних результатів:

· Розроблена САП фрезерної 3–D обробки на 3и координатних верстатах з ЧПУ дозволяє не тільки проектувати управляючу програму, але й проводити вивчення процесу фрезерування 3–D поверхонь в режимі імітаційного моделювання з урахуванням процесів, що протікають при різанні.

· Спроектовано пристрій для фрезерного верстату, який реалізує теоретичні розробки на базі найбільш можливої конформності вихідної інструментальної поверхні і поверхні деталі та значно підвищує продуктивність обробки 3–D поверхонь.

· На основі розробленої технічної документації інструментального пристосування розроблено дослідний зразок для АНТК ім. Антонова.

· Використанні методи та підходи при проектуванні САП можуть застосовуватися при створенні САП, САПР та в навчальному процесі. В даний час вони використовуються при викладанні курсу “Основи автоматизованого проектування”.

Особистий внесок здобувача. Автором розроблена математична модель процесу фрезерування 3–D поверхонь на 3–координатних верстатах з ЧПУ, яка враховує суттєву нестаціонарність процесу обробки, що виконується в замкненій пружній технологічній системі. Удосконалена методика визначення параметрів шару, що зрізається та на її основі складових сили різання. Запропонована методика визначення величини пружних переміщень ТОС, яка дозволяє врахувати не лінійність характеристик пружної ТОС. Використовуючи ідею фрезерної головки з складною формоутворюючою інструментальною поверхнею, запропоновану проф. Петраковим Ю.В., була розроблена конструкція та технічна документація для виготовлення інструментального пристосування зі змінною формоутворюючою інструментальною поверхнею.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були заслухані та обговорені на: міжнародній конференції “Technologia i automatyzacja montazu” (18-21.10.1999р., Rzeszow-Smerek, Польща); II–й міжнародній конференції “Прогрессивная техника и технология – 2001” (Севастополь 28 червня – 2 липня 2001 р.); III–й міжнародній конференції “Прогрессивная техника и технология – 2002” (Севастополь 24 червня – 28 червня 2002 р.); науково–технічних конференціях студентів і молодих вчених “Машинобудівник – 98”, “Машинобудівник – 2001” (НТУУ “КПІ”, м. Київ);

Публікації. За темою дисертації опубліковано 12 наукових праць, серед них: 5 статей в провідних фахових виданнях, отримано 2 патенти України на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 102 найменувань та додатків. Обсяг дисертації 145 сторінок, включаючи 65 рисунків і 8 таблиць.

основний зміст роботи

У вступі представлена актуальність і доцільність виконання досліджень, сформульовані мета і задачі досліджень, наголошено на науковій новизні і практичному значенні роботи, виділено особистий внесок.

У першому розділі “Аналіз стану досліджуваного питання” проведено огляд методів обробки складних форм деталей на фрезерних верстатах з ЧПУ, відзначено основні особливості процесу фрезерування 3–D поверхонь на 3и координатних фрезерних верстатах з ЧПУ, а також встановлено тенденції по удосконаленню процесу фрезерування 3–D поверхонь.

В роботах Евгенева Г.Б., Гжирова Р.И., Сафрагана Р.Э. було виявлено, що для обробки деталей з різними 3–D поверхнями, найбільш часто використовуються 3 – координатні фрезерні верстати з ЧПУ. При цьому в якості інструменту в більшості випадків використовується кінцева сферична фреза. При аналізі цих робіт акцентовано увагу на методах задачі параметрів поверхонь деталі та заготовки, основних підходах при формуванні схем обробки та виявлено основний параметр, що впливає на продуктивність обробки (кількість рядків) – величина гребінця, що не зрізається .

Дослідженнями Кулика В.К., Петракова Ю.В., Палка К.И., Мурашкіна Л.С. встановлено, що процес обробки 3–D поверхонь фасонною фрезою є суттєво нестаціонарним. Це призводить до того, що домінуючою складовою загальної похибки обробки є змінна систематична похибка, закон зміни якої не є лінійним, а значення похибки відрізняється в декілька разів при обробці різних дільниць заготовки. Крім того, при аналізі процесу фрезерування 3–D поверхні треба враховувати, що він протікає в замкненій пружній технологічній системі і виникнення похибки від пружних деформацій потрібно розглядати саме в такому контексті.

В роботах Родіна П.Р., Лінкіна Г.А., Радзевича С.П. розглянуто питання по підвищенню продуктивності процесу обробки 3–D поверхонь, за рахунок збільшення ступеня конформності вихідної інструментальної поверхні і поверхні деталі.

В результаті проведеного аналізу виявлено, що математична модель даного процесу потребує удосконалення з метою урахування його не стаціонарності і замкненості та необхідно розробити такий алгоритм розрахунку траєкторії руху інструмента, який враховує процеси, що протікають при утворенні поверхні деталі, а з цієї причини програмно-математичне забезпечення, що дозволить управляти процесом обробки за заданим алгоритмом. Розробка та використання цих компонентів при проектуванні управляючої програми дозволить компенсувати похибку, викликану пружними деформаціями і підвищити продуктивність обробки. Крім того, недостатньо приділена увага іншому напрямку, зв'язаному з удосконалюванням (підвищенням ступеня конформності ВІП та поверхні деталі) процесу обробки 3–D поверхонь: розробці і використанню інструментального пристосування з вихідною інструментальною поверхнею, що може управлятися безпосередньо у процесі обробки.

За матеріалами першого розділу сформульовані задачі дослідження.

У другому розділі “Розробка математичної моделі процесу обробки 3–D поверхонь на фрезерних верстатах з ЧПУ” проведено теоретичні дослідження, направлені на розробку структурно–параметричної моделі процесу фрезерування 3–D поверхні на 3и координатному верстаті з ЧПУ, з використанням кінцевої сферичної фрези та наповнення її блоків математичним змістом.

При розробці моделі процесу було враховано дві його головні особливості: суттєва нестаціонарність процесу, що обумовлюється зміною, в декілька разів, параметрів шару, що знімається та замкненість пружної технологічної оброблювальної системи. Проведений аналіз дозволяє запропонувати наступну структурно-параметричну модель процесу фрезерування 3–D поверхонь на 3 – координатному верстаті з ЧПУ (рис.1).

Вхідними параметрами (величини, що управляються) є: положення ріжучого інструмента (центр півсфери фрези) відносно поверхні заготовки, що представляється трьома координатами XІз, YІз, ZІз, частота обертання фрези nфр, подача S (швидкість зміни положення фрези) та матеріал фрези. До збурень відносяться: поверхня заготовки, що визначає припуск (координати X3, Y3, Z3); вихідна інструментальна поверхня, що характеризується радіусом Rфр та кількістю зубів Zфр фрези; матеріал заготовки.

Вихідні параметри представлені техніко-економічним показником процесу – час обробки та точність обробленої поверхні – відповідність фактичної поверхні (Xд, Yд, Zд) теоретично заданій (в цей показник включається висота гребінця, що не зрізається).

Головними параметрами, що характеризують процес фрезерування, є глибина h і ширина b різання. Оскільки ці параметри визначаються передаточною функцією процесу формоутворення Wф, що відбиває фактичну взаємодію вихідної інструментальної поверхні з поверхнею заготовки, то на вхід цього блоку повинні надходити фактичні координати інструменту (XІф, YІф, ZІф), у відповідності до замкненості пружної технологічної системи. Процес багатошарового фрезерування представлений передаточною функцією аргументу запізнення e-фs, де: ф - час зняття одного шару, s – оператор Лапласа. Це означає, що шар припуску, який не буде зрізаний на поточному проході внаслідок пружних деформацій ТОС, сприймається системою як збільшення припуску на наступному проході. Окрім цього, так як подача є швидкістю зміни (у часі) положення фрези, а теоретичне положення фрези не співпадає з фактичним, то при розробці математичної моделі слід враховувати фактичну подачу (Sф), що є першою похідною радіус–вектора фактичного положення інструмента (rIф(t)) по часу. Радіус–вектор знаходиться по відомому фактичному положенню фрези (координати XІф, YІф, ZІф) та теоретично заданій подачі S.

На основі структурно-параметричної моделі вдалося виділити в моделі реального процесу обробки окремі блоки та відобразити функціональні зв'язки між ними, що відіграють найбільшу роль у його здійсненні. Останнім кроком по складанню математичної моделі є наповнення математичним змістом (визначення передаточних функцій) виділених на схемі рис. 1 блоків.

Аналіз геометричних співвідношень процесу формоутворення 3–D поверхні фасонною фрезою показує, що взаємодія інструмента і деталі в загальному випадку не може бути визначена аналітичним методом. Для вирішення цієї задачі запропонована методика, яка базується на представлені поверхні заготовки та деталі у вигляді дискретних 1–D елементних моделей. Розрахунок геометричних параметрів шару, що зрізається, проводиться на підставі сформованої 1–D елементної дискретної моделі поверхні деталі та заготовки та на представлені сферичної фрези у вигляді елементарних циліндричних фрез (рис.2).

Вихідною інформацією про елементи шару, що зрізається, для кожної елементарної фрези є глибина різання Hi, ширина різання Bi, початковий б1Пi і кінцевий б1Ki кути контакту, в системі координат деталі, радіуси елементарних циліндричних фрез Ri.

При представленні поверхні заготовки у вигляді дискретної моделі, виникає похибка визначення глибини різання (ДH). Величина цієї похибки прямо залежить від величини кроку дискретизації h і напрямку розташування площин дискретизації б, щодо проекції напрямку руху подачі на площину XY. Визначити оптимальний крок дискретизації можна на основі значення глибини різання H та критерію точності розрахунку сили різання г:

(1)

де m – показник ступеня в лінеаризованій залежності дотичної складової сили різання від глибини різання, для кінцевої циліндричної фрези.

Інформація про елементи шару, що зрізається, для кожної елементарної фрези є вхідною для розрахунку складових сили різання. Вихідною інформацією є складові (їх проекції) сили різання PX, PY, PZ, спрямовані паралельно до відповідної осі координат.

Для кожної елементарної фрези, дотична складова елементарної сили різання Pфi знаходиться за залежністю для кінцевої циліндричної фрези:

. (2)

При цьому формула (2) змінена в порівнянні з класичною: у ній замість теоретичних подачі на зуб, глибини і ширини різання присутні їхні фактичні величини, які повинні розраховуватись у відповідності до моделі процесу (див. рис.1). Ця складова (рис.3) прикладена в середині дуги контакту фрези і заготовки та спрямована за дотичною до кола, радіус якого дорівнює радіусу елементарної фрези. Складова сили різання в напрямку радіуса сфери в першому наближенні визначається через відповідну дотичну силу Pфi:

(3)

Радіальна складова має ту ж точку прикладання і спрямована під кутом Шi до центру кінцевої сферичної фрези.

Далі ці складові сили різання розкладаються по осях прийнятої системи координат XYZ, для представлення сили різання у вигляді її проекцій у даній системі координат:

;

;

;

.

Операція визначення елементарних сил різання і розкладання їх по осях прийнятої системи координат повторюється для всіх елементарних кінцевих фрез. Після цього визначається сумарна сила різання, представлена у вигляді своїх проекцій на осі прийнятої системи координат:

, (5)

де n – кількість елементарних фрез.

Ця інформація є вхідною для розрахунку пружного переміщення ТОС.

Величина пружних переміщень ТОС складається з величини переміщення пружної системи верстата Д1 і переміщення Д2 інструмента. Переміщення інструмента Д2 виникає внаслідок вигину осі інструменту під дією проекцій сили різання РX, PY і стиску (розтягуванню) під дією складової сили різання PZ та визначаються за відомими залежностями з курсу опору матеріалів. Для визначення складових величини Д1 пропонується наступна методика.

Експериментальним шляхом визначається годограф величини пружних переміщень верстату (рис.4). На основі годографа формуються три взаємозалежні масиви значень жорсткостей С[], кута прикладання сили різання б[] та кута напряму величини пружних переміщень в[]. Використовуючи ці масиви, визначається величина і напрям величини пружних переміщень верстату, що викликана силою Р, прикладеною під кутом б. складова величини переміщення пружної системи верстата в напрямку осі Z визначається як:

(6)

де С3 – жорсткість пружної системи верстату в напрямку осі OZ.

Запропонована методика дозволяє врахувати не лінійність пружної системи верстату згідно експериментальних даних.

У третьому розділі “Розробка метода управління процесом 3–D фрезерування та реалізація його на верстаті з ЧПУ” розроблено схему управління процесом 3–D фрезерування, яка практично реалізується через САП в управляючій програмі.

при обробці 3–D поверхні внаслідок виникнення загальної похибки обробки фактичне значення величини гребінця, що не зрізається більше за теоретично обраховане. Тому доводиться або навмисно зменшувати значення допустимої величини гребінця, що не зрізається, щоб врахувати вплив загальної похибки обробки або суттєво зменшувати значення робочої подачі, щоб зменшити вплив загальної похибки обробки. Перший варіант призводить до збільшення кількості рядків, а другий до зменшення значень режимів обробки, що призводить до збільшення часу обробки. Тому підвищення продуктивності обробки можна досягти за рахунок формування скоректованої траєкторії руху інструмента, що дозволить компенсувати змінну систематичну складову загальної похибки обробки, викликану дестабілізуючими факторами.

Аналіз процесу фрезерування 3–D поверхонь показав, що для компенсації систематичної складової загальної похибки обробки, викликаної дестабілізуючими факторами, найбільш прийнятним методом управління процесом обробки є метод корекції еквідистанти за апріорною інформацією. Тому пропонується наступна схема управління процесом обробки 3–D поверхонь на 3–координатних фрезерних верстатах з ЧПУ за апріорною інформацією, на основі структурно–параметричної моделі процесу (рис.5).

На вході задається інформація про теоретичну траєкторію руху інструмента XІт, YІт, ZІт, яка розрахована, виходячи з концепції геометричного формоутворення поверхні деталі. Далі включаються програмні модулі, що виконують обчислення за передаточними коректуючими функціями за кожною координатою, що управляється.

Ці функції є суттєво нелінійними, тому їх реалізація можлива за допомогою ЕОМ, з використанням чисельного метода розрахунку. Після цього розраховуються скоректовані координати інструменту за формулами, отриманими зі схеми рис.5:

. (7)

Таким чином, розрахунок теоретичної траєкторії руху інструмента виконується САП на етапі підготовки управляючої програми і тому основним засобом реалізації розробленого метода управління є саме САП фрезерної 3–D обробки.

Крім самого значення величини гребінця, що не зрізається, на продуктивність обробки впливає й те, як змінюється ця величина у відповідності до змін умов обробки на всій поверхні деталі (рис.6). В існуючих САП для розрахунку подачі на рядок (максимально допустимої) береться найбільше значення величини гребінця, що не зрізається і на основі цього значення формується схема обробки. Така традиційна схема є найгіршою, з точки зору продуктивності обробки. Більш продуктивним є метод формування схеми обробки з постійною, в кожному рядку, величиною гребінця, що не зрізається. Це дозволить будувати схеми обробки з нерівномірною подачею на рядок, що призведе до зменшення кількості рядків. Однак дана схема не враховує те, що при переміщенні вздовж рядка величина гребінця, що не зрізається, також змінюється й це призводить до втрат часу, особливо якщо геометричні характеристики поверхні деталі істотно змінюються вздовж рядка. Виходячи з цього, для підвищення продуктивності пропонується формувати схему обробки з постійною в кожній точці рядка величиною гребінця, що не зрізається. Це призведе до деякої модифікації існуючих схем обробки ШТИП, ЗИГЗАГ, але дозволить зменшити час обробки за рахунок можливості холостих переміщень на деяких ділянках обробки.

Виходячи з розглянутих шляхів підвищення продуктивності фрезерування 3–D поверхонь, був розроблений алгоритм, що дозволив в автоматизованому режимі реалізувати метод формування схеми обробки з постійною, в кожному рядку, величиною гребінця, що не зрізається.

Розроблена схема управління процесом обробки за апріорною інформацією в сукупності з алгоритмом формування схеми обробки з постійною, в кожному рядку, величиною гребінця, що не зрізається, була реалізована в розробленій САП фрезерної 3–D обробки.

У четвертому розділі “Розробка інструментального пристосування для обробки 3–D поверхонь” запропоновано для вирішення задачі по підвищенню продуктивності процесу фрезерування 3–D поверхонь, використовувати продуктивне інструментальне пристосування (ІП) зі змінною вихідною інструментальною поверхнею (ВІП).

Ефективність процесу формоутворення поверхні деталі визначається також ступенем конформності поверхонь деталі і ВІП, з урахуванням форми поверхні заготовки. В кожній точці характеристики торкання поверхонь деталі і ВІП треба прагнути до найбільшого значення їхнього ступеня конформності. З іншої сторони при збільшенні ступеня конформності зменшується універсальність використання спеціального інструменту та режими обробки заготовки стають більш напруженими. Тому одним із шляхів підвищення універсальності за рахунок підвищення ступеня конформності та керування параметрами обробки є управління ВІП у точці (або в кожній точці характеристики) її торкання з поверхнею деталі.

Для реалізації даної концепції було розроблено інструментальне пристосування для обробки опуклих та увігнутих поверхонь різної кривизни (рис.7, а). Траєкторія руху ріжучих елементів пристосування утворює складну сідлоподібну поверхню. Управління кривизною формоутворюючої поверхні здійснюється по двох входах: величина кривизни – шляхом зміни кута нахилу шайби 4 (механізм 10), а знак кривизни – орієнтацією фрезерної головки щодо напрямку руху повздовжньої подачі (механізм 11).

Саме така складна сідлоподібна траєкторія руху різців дозволяє формувати на деталі увігнуту поверхню – напрям руху повздовжньої подачі співпадає з напрямом виду А, та опуклу поверхню – напрям руху повздовжньої подачі співпадає з напрямом виду В (рис.7, б). Всі положення між цими напрямами також можуть бути використані для формоутворення за один прохід увігнуто–опуклих поверхонь.

Для автоматизації розрахунку параметрів механізму інструментального пристосування було розроблено відповідне програмно–математичне забезпечення.

У п’ятому розділі “Експериментальні дослідження САП та ІП” приведені дані по експериментальним дослідженням САП та ІП, які проводилися для підтвердження запропонованих шляхів підвищення продуктивності фрезерування 3–D поверхонь.

З цією метою було розроблено САП фрезерної 3–D обробки, в якій були реалізовані всі запропоновані методи. САП розроблено в середовищі програмування DELPHI 5, а результати роботи отримані в графічному редакторі AutoCAD 2000 (рис.8).

Дослідження даної САП показало, що запропонований метод формування схем обробки з нерівномірною подачею на рядок, з урахуванням замкненості ТОС дозволяє підвищити продуктивність обробки від 1.9 рази до 2.5 рази порівняно з традиційними підходами до формування схем обробки, в залежності від градієнта кривизни поверхні. Крім того, запропоновані підходи та розроблені алгоритми можуть бути використані для моделювання обробки широкого кола складних поверхонь деталей, які складаються з різних простих поверхонь. Використання моделі системи жорсткості ТОС, яка отримана експериментальним шляхом, дозволяє зменшити фактичну величину гребінця, що не зрізається, на 20%.

На основі запропонованої кінематичної схеми фрезерної головки була розроблена конструкторська документація та виготовлено дослідний зразок фрезерної головки з радіусом обертання різців 50мм (рис.9). Основною метою при експериментальному дослідженні фрезерної головки було визначення функціональних можливостей та діапазону управління розробленого ІП при обробці 3–D поверхонь із постійною і змінною кривизною.

В якості дослідних зразків використовувались призматичні заготовки 160х50х60мм (довжина х ширина х висота) з алюмінієвого сплаву – АК9, без термообробки.

В результаті проведених експериментальних досліджень були підтверджені широкі технологічні можливості фрезерної головки: можливість обробки симетричних і не симетричних, увігнутих та опуклих, з постійним і змінним радіусом кривизни поверхонь деталей, а також відсутність гребінців на цих поверхнях (рис.10, а, б, в). Крім того, були виявлені додаткові типи поверхонь які можна обробити з використанням фрезерної головки (рис.10, г).

Позитивні, в цілому, результати експериментальних досліджень відкривають широкі можливості по використанню інструментальних пристроїв на верстатах з ЧПУ при обробці деталей з аеро– та гідродинамічними поверхнями, штампів та прес–форм тощо, що підтверджено відповідним актом апробації.

Висновки

1. Аналіз стану питання показує, що, не дивлячись на істотні досягнення в області вивчення процесу обробки 3–D поверхонь на фрезерних верстатах із ЧПУ, цей процес залишається недостатньо вивченим. Відсутня математична модель даного процесу, яка б враховувала його не стаціонарність та замкненість; відомі алгоритми розрахунку траєкторії руху інструменту, не враховують процеси, які протікають при фрезеруванні. Урахування процесу різання, саме внаслідок якого утворюється поверхня деталі та його впливу на фактичну траєкторію руху інструменту при проектуванні управляючої програми дозволить компенсувати похибку, викликану пружними деформаціями і підвищити продуктивність обробки. Крім того, недостатньо використовуються широкі можливості підвищення продуктивності та якості обробки за рахунок управління вихідною інструментальною поверхнею, безпосередньо в процесі обробки, з метою підвищення конформності з 3–D поверхнею, що обробляється.

2. Математична модель процесу фрезерування 3–D поверхні в замкненій ТОС, повинна представлятися у вигляді взаємозв'язку між факторами, що управляються: положення ріжучого інструмента відносно поверхні заготовки, частота обертання фрези, подача та матеріал фрези; збуреннями: поверхня заготовки, вихідна інструментальна поверхня, яка в деяких випадках управляється в процесі обробки та матеріал заготовки; і метою управління: час обробки, форма та якість обробленої поверхні. Крім того, треба враховувати, що процес фрезерування протікає в замкненій пружній технологічній оброблювальній системі.

3. В якості критерію при розробці алгоритму розрахунку траєкторії руху інструменту необхідно приймати постійну, в кожному рядку або постійну по рядку (в кожній точці рядка) величину гребінця, що не зрізається.

4. При розробці модуля графічного контролю САП доцільно не розробляти власне графічне ядро, а використовувати існуючі редактори та зв’язуватись з ними за допомогою СОМ–технології.

5. Доведена можливість формоутворення 3–D поверхонь інструментальним пристосуванням з вихідною інструментальною поверхнею, що управляється під час обробки та його широкі технологічні можливості по формуванню 3–D поверхонь.

6. Експериментальні дослідження розробленої САП фрезерної 3-D обробки показали, що синтез схем обробки з не рівномірною подачею на рядок, з урахуванням замкненості ТОС, дозволяє підвищити продуктивність обробки від 1.9 рази до 2.5 рази, в залежності від кривизни поверхні, що обробляється, порівняно з використанням традиційних методів формування схем обробки.

7. Експериментальні дослідження інструментального пристосування показали, що з його використанням можливо обробити різні поверхні: симетричні і не симетричні, увігнуті та опуклі, з постійним і змінним радіусом кривизни поверхонь деталей, без утворення гребінців на цих поверхнях. При цьому кривизна множини можливих 3–D поверхонь змінюється в межах Rк Є (125;+8) U (–8;–125).

Список опублікованих праць за темою дисертації

1.

Автором запропонована методика визначення складових сили різання.

2.

Автором запропонована методика визначення параметрів шару, що зрізається.

3.

Автором запропонована методика визначення складових пружного переміщення верстату з моделлю пружної системи верстату, що представляється у вигляді орієнтованих осей жорсткості.

4.

Автором проведено розрахунок основних параметрів фрезерного інструментального пристосування.

5.

Автором розроблено окремі блоки структурно–параметричної моделі процесу фрезерування 3–D поверхонь на 3И координатних фрезерних верстатах з ЧПУ та розроблено САП фрезерної 3–D обробки.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

АНОТАЦІЯ

Луценко М.О. Підвищення продуктивності процесу обробки 3–D поверхонь на фрезерних верстатах з ЧПУ. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 – технологія машинобудування. – Національний технічний університет України “КПІ”, Київ, 2002.

Дисертація присвячена підвищенню продуктивності процесу обробки 3–D поверхонь на фрезерних верстатах з ЧПУ. Здобувачем розроблено новий метод формування схем обробки з нерівномірною подачею на рядок з урахуванням суттєвої не стаціонарності процесу обробки, що базується на розробленій структурно–параметричній моделі процесу. Метод дозволяє формувати схеми обробки для широкого кола 3–D поверхонь. Показано, що вибір методу формування схем обробки суттєво впливає на час обробки. Розроблені методики визначення параметрів шару, що зрізається, складових сили різання, складових повного переміщення інструменту. Запропоновано конструктивні рішення і виготовлено дослідний зразок інструментального пристосування зі змінною ВІП, призначеного для продуктивної обробки 3–D поверхонь і методика ефективного використання даного пристосування.

Ключові слова: процес обробки, 3–D поверхня, фрезерний верстат з ЧПУ, система автоматизації програмування, схема обробки, подача на рядок, структурно–параметрична модель, інструментальний пристрій зі змінною вихідною інструментальною поверхнею.

THE SUMMARY

Lutsenko М.O. Increase of productivity of process of processing 3-D of surfaces on milling machine tools with NPM. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.02.08 - technology of mechanical engineering. - National technical university of Ukraine “KPI”, Kiev, 2002.

The dissertation is devoted to increase of productivity of process of processing 3-D of surfaces on milling machine tools with NPM.

The competitor develops a new method of formation of the circuits of processing with non-uniform submission on a line in view of essential unstationary of process of processing, which is based on the developed structural - parametrical model of process. The method allows to form the circuits of processing for various 3-D of surfaces. Is shown, that the choice of a method of formation of the circuits of processing essentially influences time of processing. The techniques of definition of parameters cutting of a layer making force of cutting and complete moving of the tool are developed. The constructive decisions are offered and the skilled sample of the tool adaptation with a variable initial tool surface intended for the processing 3-D of surfaces and a technique of an effective utilization of the given adaptation is made.

АННОТАЦИЯ

Луценко М.А. Повышение производительности процесса обработки 3–D поверхностей на фрезерных станках с ЧПУ. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 - технология машиностроения. - Национальный технический университет Украины “КПИ”, Киев, 2002.

Диссертация посвящена повышению производительности процесса обработки 3–D поверхностей на фрезерных станках с ЧПУ путем разработки программно-математического обеспечения САП, которая учитывает особенности процесса резания при формообразовании 3-D поверхностей в замкнутой технологической обрабатывающей системе, а также создания инструментального приспособления с управляемой в процессе резания формообразующей инструментальной поверхностью, и позволяет повысить степень конформности исходной инструментальной поверхности и обрабатываемой поверхности.

Для достижения данной цели были сформулированы следующие основные задачи:

1. Разработать структурно-параметрическая модель процесса 3-D фрезерования, которая связывает входные параметры обработки с выходными, с учетом замкнутости упругой технологической обрабатывающей системы и возмущений, которые действуют на технологическую обрабатывающую систему в процессе обработки.

2. На базе структурно-параметрической модели разработать математические основы САП для обработки 3-D поверхностей на фрезерных станках с ЧПУ, которые позволяют в интерактивном режиме моделировать процесс и рассчитывать скорректированную, по координатам формообразующего движения, управляющую программу.

3. Разработать специальное инструментальное фрезерное приспособление с формообразующей инструментальной поверхностью, которая управляется в процессе обработки и программно-математическое обеспечение для его проектирования.

4. Выполнить экспериментальную апробацию технологических возможностей разработанного программного обеспечения САП и фрезерного приспособления на примерах обработки деталей с различными 3-D поверхностями.

Во введении обоснована актуальность и целесообразность выполнения исследований, сформулированы цель и задачи исследований, отмечена научная новизна и практическая ценность работы, выделен личный вклад.

В первом разделе проведен обзор методов обработки сложных форм деталей на фрезерных станках с ЧПУ, отмечены основные особенности процесса фрезерования 3–D поверхностей на 3и координатных фрезерных станках с ЧПУ, а также выделены тенденции по усовершенствованию процесса фрезерования 3–D поверхностей.

Во втором разделе проведены теоретические исследования, направленные на разработку структурно-параметрической модели процесса фрезерования 3–D поверхности на 3и координатном станке с ЧПУ, с использованием концевой сферической фрезы и наполнение ее блоков математическим содержанием. Разработаны методики определения параметров срезаемого слоя, составляющих силы резания, полного перемещения режущего инструмента, с учетом замкнутости упругой технологической обрабатывающей системы, и методика определения подачи, как скорости изменения фактического положения инструмента между предыдущим и текущим фактическим положением режущего инструмента, за время перемещения инструмента на один шаг моделирования.

В третьем разделе разработана схема управления процессом 3–D фрезерования и реализована в САП фрезерной 3–D обработки. Схема управления построена на основании структурно-параметрической модели процесса фрезерования 3–D поверхности с использованием метода коррекции эквидистанты по априорной информации, что позволило компенсировать систематическую составляющую общей погрешности обработки, вызванную дестабилизирующими факторами. Для снижения времени фрезерования 3-D поверхностей предложена методика формирования схем обработки с постоянной, в каждой строке, величиной не срезаемого гребешка.

В четвертом разделе предложено для решения задачи по повышению производительности процесса фрезерования 3–D поверхностей, использовать инструментальное приспособление (ИП) с переменной исходной инструментальной поверхностью. Приведена конструкция и кинематическая схема приспособления, закон движения режущих элементов. Проведен теоретический анализ характеристик инструментального приспособления.

В пятом разделе приведены данные по экспериментальным исследованием разработанной САП и ИП, которые проводилось для подтверждения предложенных путей повышения производительности фрезерования 3–D поверхностей. Экспериментальные исследования разработанной САП фрезерной 3-D обработки показали, что синтез схем обработки с не равномерной подачей на строку, с учетом замкнутости ТОС, позволяет повысить производительность обработки от 1.9 раза до 2.5 раз, в зависимости от кривизны обрабатываемой поверхности, сравнительно с использованием традиционных методов формирования схем обработки.

Экспериментальные исследования инструментального приспособления показали, что с его использованием можно обработать различные поверхности: симметричные и не симметричные, вогнутые и выпуклые, с постоянным и переменным радиусом кривизны поверхностей деталей, без образования гребешков на этих поверхностях. При этом кривизна множества возможных 3–D поверхностей изменяется в границах Rк Є (125;+?) U (–?;–125).

Ключевые слова: процесс обработки, 3–D поверхность,