Из практики известны следующие варианты решения задач обеспечения заданных параметров шероховатости поверхности на стадии проектирования структуры технологического процесса:
а) шероховатость поверхности достигается автоматически при получении заданной точности;
б) шероховатость обеспечивается за счет изменения характеристики инструмента, режима резания, СОТС на одной или нескольких заключительных операциях;
в) шероховатость обеспечивается в конце технологического процесса применением специальных финишных методов обработки.
Для первых двух вариантов число операций назначается из условия получения заданной точности. Рекомендации по выбору числа операций по точности в настоящее время уже достаточно отработаны и приводятся в справочной и информационной литературе. Так, при
обеспечении 6…7 квалитета типовым технологическим процессом пре — усматривается выполнение двух операций (черновое точение, шлифование), при обработке по 4…5 квалитету — трех операций (черновое точение, предварительное шлифование, чистовое
шлифование) [58].
Для третьего варианта заданные параметры точности достигаются быстрее, чем заданные параметры шероховатости поверхности. Так, например, при обработке валков станов холодной прокатки точность размера не контролируется, а предусмотренные техническими условиями допуски на отклонение формы
выдерживаются на первой предварительной операции шлифования [99] . Для получения же заданной шероховатости рабочей поверхности валка выполняются операции чистового и тонкого шлифования.
К деталям, при проектировании маршрута обработки которых необходимо учитывать требования по шероховатости поверхности, относятся: коленчатые, кулачковые валы, шпиндели станков, ролики подшипников и ряд других деталей общего и специального машиностроения. Рекомендации по выбору числа операций с получением заданной шероховатости малочисленны и противоречивы. Так, обработку валков станов холодной прокатки с шероховатостью поверхности Ra = 0,02 мкм рекомендуют вести при одной, двух, трех
и четырех чистовых операциях [99] .
Для третьего варианта технологический процесс может быть о — проектирован таким образом, что при выполнении всех операций будут одновременно повышаться точность и снижаться шероховатость поверхности, либо таким образом, что сначала будут достигаться заданные параметры точности, а затем параметры шероховатости поверхности.
В первом случае число операций заключительной части процесса должно выбираться из условия получения заданной шероховатости поверхности, а ограничения по заданной точности и физико-механическому состоянию поверхностного слоя проверяются либо аналитически, либо экспериментально. Во втором случае при выполнении финишных операций точность может не только не
увеличиваться, но, наоборот, снижаться. Это наблюдается, например, при суперфинишировании, полировании поверхностей абразивными лентами, гидроабразивной обработке. При разработке маршрута технологического процесса рассмотренного варианта сначала назначают число операций, обеспечивающих заданную точность, а затем число финишных операций, обеспечивающих заданные параметры шероховатости поверхности.
Рассмотрим некоторые положения при расчете числа операций
при шлифовании с обеспечением требуемых параметров
шероховатости поверхности. При решении поставленной задачи необходимо ответить на три вопроса: а) могут ли быть
получены заданные параметры шероховатости в структуре технологического маршрута по точности за счет изменения условий выполнения отдельных операций; б) если обеспечение шероховатости по первому варианту невозможно или экономически нецелесообразно, сколько операций шлифования необходимо включить в
технологический процесс; в) каковы будут оптимальные из
промежуточных операций технологического процесса, параметры качества поверхности заготовки после каждой Важным вопросом также является распределение суммарного припуска по операциям
шлифования.
Рассмотрим изменение приведенных затрат при обработке заготовки с обеспечением заданной
шероховатости при двух операциях шлифования
(рис.7.10). Будем считать, что характеристики инструментов, режимы резания и другие технологические факторы
подобраны таким образом, чтобы точность обработки обеспечивалась при любом
распределении припуска по операциям. Суммарный припуск П,, вычисляется по общепринятым методикам, причем, 77т = /7у_і + /7 v, где /7V_| и Пу — соответственно припуск, удаляемый на первой и второй операциях шлифования. На участке АВ кривой IN_ (см. рис.7.10) планируемый припуск є у_| меньше погрешности установки
заготовки и поэтому первая операция не выполняется. На участке CD, кривая / v, TIN < є, не выполняется вторая операция. При
шлифовании в одну операцию величина суммарного припуска снижается на величину погрешности установки заготовки.
С увеличением припуска на первую операцию согласно уравнению (7.7) увеличивается трудоемкость и приведенные затраты на ее выполнение (кривая /у | рис.7.10), но уменьшаются припуск и затраты на вторую операцию, кривая IN. Суммарные же приведенные затраты могут как уменьшаться, так и увеличиваться. При этом возможны следующие варианты:
1. У кривой суммарных приведенных затрат нет глобального минимума. Это наблюдается при больших погрешностях установки и больших пространственных отклонениях заготовки. В этом случае необходимо рассмотреть возможность снижения погрешностей установки и пространственных отклонений, изменения схемы шлифования, применения более гибкого инструмента и т. д. Если это невозможно или нецелесообразно, обработка заготовки выполняется при одной операции шлифования.
2. Кривая / у_ | + / у имеет глобальный минимум, но затраты
при двух операциях больше, чем при обработке в одну операцию. В этом случае обработка заготовки выполняется при одной операции шлифования. Заданная шероховатость обеспечивается за счет соответствующего подбора характеристики круга и режима резания.
3. Кривая 1ут_ + 1ут имеет глобальный минимум со значением приведенных затрат меньшим, чем при шлифовании в одну операцию. В этом случае обработку заготовки целесообразно вести при двух
операциях шлифования. Припуски на выполнение операции определяются точкой глобального минимума.
Таким образом, рассмотренный алгоритм позволяет ответить на первый и третий вопросы, связанные с выбором числа операций. Вполне очевидно, что он может быть использован и при анализе возможности обработки заготовок при трех, четырех и т. д. операциях шлифования.
При выполнении анализа в рассмотренном примере характеристики инструментов и режимы предполагались известными. С целью повышения точности расчетов целесообразно их определять для каждого сравниваемого варианта. Объем вычислений может быть значительно уменьшен при вычислении числа операций методом динамического программирования.
Рассмотрим структуру алгоритма решения задачи на примере определения числа чистовых операций (переходов) шлифования валков станов холодной прокатки. При чистовом и тонком шлифовании валков затраты на инструмент не превышают 15…20%, а удельные капитальные вложения пропорциональны трудоемкости. Для этих условий в качестве критерия эффективности можно принять штучное время, которое вычисляется по зависимости (7.7).
Для круглого наружного, внутреннего шлифования объем металла, удаляемый в единицу времени, пропорционален радиальному съему материала, скорости изделия и длине контакта круга с заготовкой по образующей = Д rVuLk.
Вычисляя А г из уравнения (4.48) при tj — =Н +Аг, после несложных преобразований получим
Qu= 0,55Я-Вд.+а/(0,55Я-Ві.)2+2,1Я2 (7.23)
 |
где за В v обозначено
В табл.7.4 приведены расчетные данные по штучному времени обработки валков размерами 6×1=690×1690 мм из закаленной стали 9X2 на станках 34I5E кругами типоразмера 1-750x75x305. Таблица составлена так, что позволяет определить штучное время для любого сочетания исходной шероховатости поверхности и шероховатости после шлифования.
|
Таблица 7.4 — Влияние исходной шероховатости поверхности на штучное время шлифования валков станов холодной прокатки
|
При расчетах принято Lk = 0,1В ; Кс= 0,9; п =—————— ;
(1.75/оГ
/0 = 3,2 • 103 R"15 ;Vk =35 м/с; Vu = 0,25 м/с; Пі = CR (It ^ — It ), где
(’j{ — коэффициент, показывающий во сколько слой шероховатости
больше высоты неровностей по десяти точкам.
На основании рекуррентного соотношения (7.4) и принципа динамического программирования может быть рекомендована следующая последовательность проектирования маршрута технологического процесса обработки заготовок абразивными инструментами.
На первом этапе выполняется анализ возможных вариантов заключительной операции процесса. Для этого устанавливается множество возможных сочетаний показателей качества после
TV — 1 — й операции. Для рассматриваемого примера
R. = 0,2; 0,4; 0,8; 1,6; 3,2; 6,3 мкм (табл. 7.5).
iN-
|
Таблица 7.5- Вычисление числа операций шлифования валков станов холодной прокатки методом динамического программирования
|
Для каждого варианта возможных сочетаний определяют условия выполнения заключительной операции: выбирается метод обработки,
входные переменные и управляющие воздействия. Для примера принято =35 м/с, Vu = 1 м/с. По результатам первого этапа запоминаются значения критерия J и условия выполнения заключительной операции для каждого варианта.
На втором этапе переходят к анализу двух последних операций технологического процесса. Устанавливаются все возможные сочетания показателей качества после выполнения /V — 2-Й операции. Для каждого из сочетаний задаются все возможные наборы выходных переменных после /V —1 —й операции, и на основе сопоставления критерия эффективности выбирается лучший вариант. Он сравнивается с вариантом преобразования качества в одну операцию, из последних выбирается наилучший. Для примера при Rz =6,3 мкм RZn i может принимать значения 0,2; 0,4; 0,8; 1,6; 3,2
мкм.
Наименьшее время соответствует варианту с Rz v ] = 0,8 мкм (hum =104,8 минут).
На третьем этапе переходят к анализу трех, четырех и так далее операций технологического процесса. Для этого устанавливаются все возможные сочетания показателей качества на N — j — й операции (у =3,4,…), для каждого сочетания задаются все возможные наборы выходных переменных после /V — J +1 — й операции и вычисляются значения критерия эффективности, по уравнению (7.4) выбирается оптимальный вариант выполнения заключительной части процесса. Вычисления заканчиваются при получении результата, свидетельствующего, что дальнейшее увеличение числа операций приводит к увеличению значения критерия эффективности. Для рассматриваемого примера при трех заключительных операциях возможны только два варианта преобразования качества. Штучное время по этим вариантам больше штучного времени при N = 2, поэтому за оптимальный вариант принимается: N = 2, RZq =6,3 мкм,
//Z| =0,8 мкм, R =0,1 мкм, tuwl
Для экспериментальной проверки рассмотренной методики выполнено шлифование валков по схемам: а) N = 1; /^_ = 6,3 мкм;
RZ] =0,1 мкм; б) N = 2; RZq =6,3 мкм; Rz^ =0,8 мкм; Rz2 =0,1 мкм.
Шлифование заготовок с получением шероховатости поверхности Rz =0,8 мкм проводилось кругами на вулканитовой связке 1-600x75x305 63С 6-Н СМ ВП, с получением шероховатости R= 0,1 мкм — кругами на бакелитовой связке 1-750x75x305 63С MI4 СМ2 8Б. При N = 1 штучное время обработки валка составило 362 мин, при N = 2 оно равно 178 мин. При двух чистовых операциях штучное время обработки вала снижается в 2 раза, что соответствует выполненным расчетам. Как при шлифовании в одну, так и при шлифовании в две операции, фактическое штучное время обработки валов больше расчетного, что объясняется необходимостью выполнения в конце каждой операции дополнительных проходов выхаживания с целью повышения однородности шлифованной поверхности.
Таким образом, при разработке маршрута целесообразно рассматривать технологический процесс как сложную динамическую систему. Такой подход позволяет применить для решения технологических задач аппарат теории оптимального управления дискретными системами.
[1] " 8 2а r