Оптимизация режимов механической обработки дисков ГТД при заданных технологических ограничениях

МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 621.723

О. В. Коленченко

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДИСКОВ ГТД ПРИ ЗАДАННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОГРАНИЧЕНИЯХ

Предложена методика разработки общих функциональных наиболее характерных зависимостей технологических и экономических характеристик от режимов механической обработки, обеспечивающих связь различных критериев между собой и применения этих зависимостей при решении технологических задач механической обработки. Механическая обработка; оптимизация; сложнофасонные детали

ВВЕДЕНИЕ

Применяемое современное металлорежущее оборудование характеризуется чрезвычайно высокой степенью автоматизации.

Это оборудование может принести экономический эффект при его максимальном использовании и увеличении доли основного времени в общих затратах времени работы станка. Следовательно, снижению основного времени при выполнении конкретной технологической задачи на современном этапе необходимо уделять особое внимание.

Для решения этой проблемы требуется особый подход к определению наилучших значений технологических параметров способов механической обработки.

Технологические параметры способа обработки определяются технологической задачей и выбранными технологическими средствами. Причем часть параметров (нерегулируемые входные) заданы, а часть параметров (регулируемые величины процесса) могут быть выбраны в ограниченной области. Технологические режимы (скорость резания, подача, глубина резания и др.) позволяют адаптировать способ обработки к технологической задаче.

В технической литературе опубликовано большое количество данных, позволяющих выбрать режимы механической обработки. Однако практическое использование этого материала пока неудовлетворительно. Появление новых инструментальных, обрабатываемых материалов не входит в содержание опубликованных нормативных данных - это во-первых, во-вторых, используемые в настоящее время справочные данные для выбора режимов механической обработки, взятые из различных источников для идентичных условий, сильно отличают-

Контактная информация: 8(347)273-08-66

ся друг от друга, и, наконец, опубликованные таблицы, номограммы и др. не позволяют полностью использовать возможности современного автоматизированного оборудования.

В технологии машиностроения, как и во многих других прикладных науках, особенностью постановки технической задачи является то, что из многих возможных вариантов должен быть найден самый экономичный. Основой решения такой сложной задачи являются технические и экономические связи, которые отражают закономерности механической обработки сложнофасонных ответственных деталей ГТД.

1. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

В статье предложена методика разработки общих функциональных, наиболее характерных зависимостей технологических и экономических характеристик от режимов механической обработки, обеспечивающих связь различных критериев между собой и применения этих зависимостей при решении технологических задач механической обработки.

Диски ГТД являются сложнопрофильными деталями, обладающими переменной жесткостью. Обработка таких деталей ведется на станках с программным управлением, так как они обладают большими технологическими возможностями.

Анализ производственных условий обработки дисков ГТД (рис. 1), позволил установить диапазон изменения переменных технологических факторов: скорость резания изменяется V от 10 до 40 м/мин; подача S от 0,1 до 0,3 мм/об; глубина резания ^ = 0,5мм; передний угол назначается от -10о до +10о; радиус при вершине гв = 0,5^2,0 мм; угол в плане ф = 30^60°.

Жесткость упругой технологической системы или ее элементов характеризуется способностью сопротивляться приложенной нагрузке (рис. 1).

Рис. 1. Диск ГТ Д

Оценивалось влияние указанных факторов на изменение следующих параметров: характеристики износа режущего инструмента (йоз, I, Т); показателей физико-механического состояния обработанной поверхности (Яа, N кс, от, й0), а также производительности (П) и себестоимости (С) обработки.

Для получения регрессионных зависимостей, связывающих основные параметры процесса резания с изменяющимися технологическими факторами, в данной работе были использованы методы математического планирования экспериментов [1]. Реализован план В4, фрагмент которого приведен в табл. 1, уравнения регрессии табл. 2.

Т аблица 1

№ опыта Хо Х1 Х2 Хз Х4 г

1 1 -1 1,16

2 1 1 -1 о,44

3 1 1 1,8

4 1 1 1 о,о2

5 1 -1 1 1,оз

24 1 о о о 1 1,437

Коэффициенты находят по приведенным ниже формулам [4]:

1 по N N

Ьо = — £ Уои, ь = А£ хуу], ь

По и=1

х

7=1

к N

j=l

К = в£х 2 + с ее х2^

]=1

,=1 ]=\

Р  п0 и=1

"У

£ у ои,

где по - число опытов в центре плана; и - номер параллельного опыта в центре плана; уои - зна-

чение функции отклика в и-м опыте; N - число опытов в матрице планирования; J - номер опыта в матрице планирования; /, I - номера факторов; Ху, Ху - кодированные значения /-го и 1-го факторов в у-м опыте; у у - значение функции отклика ву-м опыте; к - число факторов; А, В, С, В, р - константы, зависящие от числа факторов.

Число факторов А В С Б Р По

4 1/12 1/8 -1/48 1/4 2 3

2. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Предполагается, что указанные зависимости носят аналитический характер, следовательно, любую из рассматриваемых функций можно разложить в степенной ряд и с достаточной для практики точностью в исследуемых интервалах ограничиться несколькими первыми членами разложения (полиномом второго порядка).

Учитывая закономерности физической оптимизации, установленные профессором

А. Д. Макаровым [2], скорость размерного износа инструмента можно определить как

к - s -V

V. =---------= к -V.

к 100 ол

Значение стойкости инструмента Т при заданном критерии затупления кзк запишется как

к

Т = зк

" Vk

Подставляя значение скорости износа инструмента в формулу (2), получим

к

Т = - .

кол-V

Количество деталей, обработанных за период стойкости инструмента, будет равно

Т к -103- 5

От — =

к„  п  В  Ь

Подставляя приведенные выражения в известную формулу себестоимости, получим величину технологической себестоимости

„ п - В - Ь к - п - В - Ь

Ст =—-(асп + а р) + -^----------------;-х

1о3  V  Б

К. 1о3  5

Ь, (асп + а р ) + В] +  (асп + а р ) +

Х [^см.и/ (асп + аР

Т

+ ОТ • («СП + ар ).

°П

Известно, что довольно часто в производственных условиях возникает ситуация, когда необходимо обеспечить максимально возможную производительность:

N

1

Т аблица 2

Уравнения регрессии для определяемых параметров

У1 = Ь0 + Ь1 х1 + Ь2 х2 + Ь3х3 + Ь4 • х4 + Ь12 х1 х2 + Ь13х1 х3 + Ь14х1 х4 +

+ Ь23 х2 х3 + Ь24 х2 х4 + Ь34 х3 х4 + Ь11 х2 + Ь22 х22 + Ь33 х32 + Ь44 х2

У ^ коз 18 т 18 1 18 18 ко 1й Яа 18 с 18 П

Ьо -0,2582 1,3184 2,6282 1,6671 1,9576 -0,2858 1,8598 -0,8132

Ь1 0,1388 -0,4585 -0,1575 0,1480 -0,0846 -0,0538 -0,0794 0,0920

Ь2 -0,1894 -0,0591 -0,0602 0,0412 0,0752 0,3079 -0,1001 0,0750

Ь3 0,0127 -0,0039 -0,0343 -0,0117 -0,0125 -0,2588 -0,0016 0,0001

Ь4 -0,088 0,0749 0,0749 -0,0163 -0,0882 0,0529 -0,0187 0,0001

2 0,0992 -0,1283 -0,1284 -0,0145 -0,0491 -0,0751 0,0450 -0,0337

Ь13 -0,0551 0,0934 0,0935 0,0115 -0,0328 - -0,0135 0,0005

4 0,0702 0,0624 0,0624 0,0215 -0,0098 -0,0656 -0,0125 0,0005

Ь23 0,0125 -0,0133 -0,0130 -0,0184 0,0029 -0,1624 -0,0003 -

Ь24 0,0439 -0,0695 -0,0691 0,0357 -0,0215 -0,0870 0,0047 -0,0002

Ь34 0,0053 0,0299 0,0299 0,0234 -0,0113 - -0,0048 0,0002

Ьц 0,0972 -0,5356 -0,5439 -0,0825 -0,0061 -0,1359 0,1175 -0,0473

Ь22 -0,0111 -0,1405 -0,0423 0,0603 0,0776 0,0618 0,0413 -0,0291

Ь33 -0,0794 0,3039 0,1172 0,005 -0,0987 0,1476 -0,0046 -0,0013

Ь44 0,1005 -0,0969 -0,0088 -0,0091 -0,0276 0,0632 0,0057 -0,0016

t

ш.к.

Тогда с учетом всех известных технологических факторов, влияющих на производительность, можно записать:

кОЬ к • пОЬ Т .

------+ —---------t + t + ——

103 sV кзк •Ю3 сми в бП

Таким образом, получены зависимости себестоимости обработки и производительности, связанные с точностью, режимами резания и состоянием режущих кромок (величиной износа) инструмента.

На первом этапе исследования получены регрессионные зависимости, связывающие основные характеристики обрабатываемости с параметрами процесса резания.

Имея систему таких зависимостей (модель процесса обработки), можно провести внешнюю оптимизацию по любому критерию оптимальности [3]. В качестве примера в табл. 3 приведены варианты расчета исследуемых величин и режимов, с учетом различных критериев оптимальности и технологических ограничений указанной поверхности при обработке детали «Диск».

Таблица 3

Режимы резания при обработке детали «Диск»

Исследуемый Т ехнологические Режимы

параметр ограничения механической

оптимизации обработки

Птах Яа = 1,25 ± 10 % V = 25 м/мин;

(I вариант) С < 100 г = 0,5 мм

£ = 0,125мм/об;

о 5 4 II &

С '-'тт Яа = 1,25 ± 10 % V = 15 м/мин;

(II вариант) Т > 40 г = 0,5мм;

£ = 0,20 мм/об;

ф = 45о

Таблица 4

Выходные параметры при обработке диска ГТД

Выходные параметры Первый вариант Второй вариант

Т, мин 22,07 57,05

Ст, руб. 95,06 89,73

гг -1 ПТ, мин 0,130 0,127

Яа, мкм 0,57 1,28

Ы, % 18,2 25

кс, мкм 31,6 108

Топ1 = tl + t2 + tз + t4 = 19,7 + 12,2 + 7 + 1,2 = = 40,1 мин.

Топ2 = tl + t2 + tз + t4 = 20,6 + 12,7 + 7,3 + 1,3 = = 41,9 мин.

ВЫВОДЫ

Таким образом, полученная модель обработки позволяет выбирать самые рациональные (в зависимости от требуемых условий) варианты обработки с учетом как технологических (шероховатость поверхности, величина максимальных остаточных напряжений или степени наклепа, а также ограничений, что отвечает требованиям обеспечения надежности изделий и условиям автоматизированной обработки глубина их залегания), так и экономических (себестоимость и производительность).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Голикова Т. И., Панченко Л. А., Фридман М. З. Каталог планов второго порядка. М.: МГУ. Ч. 1, 2, 1975. 388 с.

2. Макаров А. Д. Оптимизация процессов резания. М.: Машиностроение, 1976. 278 с.

3. Коленченко О. В. Исследование влияния условий фрезерования на величину деформаций и характеристики качества обработанной поверхности // СТИН. 2010. № 5. С. 32-36.

ОБ АВТОРЕ

Коленченко Ольга Вячеславовна ст. преподаватель каф. оборудования и технологии сварочн. производства. Дип. инженер (УАИ, 1986). Иссл. в обл. механообработки.