Главная » 2014 » Август » 20 » Скачать Повышение эффективности гидроабразивного резания на основе дискретного регулирования состояний технологической системы. Барсуков, бесплатно
6:46 AM
Скачать Повышение эффективности гидроабразивного резания на основе дискретного регулирования состояний технологической системы. Барсуков, бесплатно
Повышение эффективности гидроабразивного резания на основе дискретного регулирования состояний технологической системы
Диссертация
Автор: Барсуков, Геннадий Валерьевич
Название: Повышение эффективности гидроабразивного резания на основе дискретного регулирования состояний технологической системы
Справка: Барсуков, Геннадий Валерьевич. Повышение эффективности гидроабразивного резания на основе дискретного регулирования состояний технологической системы : диссертация доктора технических наук : 05.03.01 Орел, 2006 411 c. : 71 07-5/85
Объем: 411 стр.
Информация: Орел, 2006
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРОАБРАЗИВНОГО РЕЗАНИЯ
11 Эффективность применения гидроабразивного резания в различных отраслях промышленности
12 Технологическое обеспечение эффективности гидроабразивного резания различных материалов
121 Классификация струй жидкости, применяемых для резания материалов
122 Зависимость эффективности гидроабразивного резания от физико-механических свойств абразивных материалов
123 Строение технологической системы гидроабразивного резания, обеспечивающее эффективность процесса обработки
13 Критерии оценки эффективности гидроабразивного резания по геометрическим параметрам поверхности реза
14 Анализ технологических методов повышения эффективности гидроабразивного резания
15 Цель и задачи исследования
Глава 2 АНАЛИЗ СОПОДЧИНЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ И ПОДСИСТЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ГИДРОАБРАЗИВНОГО РЕЗАНИЯ
21 Системный анализ иерархии элементов и подсистем технологической системы гидроабразивного резания
22 Функциональный анализ структуры технологической системой гидроабразивного резания
23 Анализ иерархической структуры системы управления технологическими связями процесса гидроабразивного резания
24 Выводы по второй главе
Глава 3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПРИ ГИДРОАБРАЗИВНОМ РЕЗАНИИ
31 Основные принципы и подходы к созданию технологического обеспечения параметров состояния поверхностного слоя при гидроабразивном резании
32 Анализ состояния поверхностного слоя детали после гидроабразивного резания
33 Геометрическая модель процесса формирования точности формы и расположения поверхности детали после гидроабразивного резания
34 Моделирование числа абразивных зерен, формирующих параметры состояния поверхностного слоя при гидроабразивном резании
35 Определение активной границы действия струи на основе анализа напряженно-деформационное состояние поверхностного слоя обрабатываемой детали
36 Моделирование реального микрорельефа поверхности после гидроабразивного резания
361 Выбор шага разбиения поверхности при моделировании реального микрорельефа после гидроабразивного резания
362 Расчет радиуса кривизны реального микрорельефа в перпендикулярном сечении поверхности после гидроабразивного резания
363 Определение знака радиуса кривизны реального микрорельефа в перпендикулярном сечении поверхности после гидроабразивного резания
364 Расчет нормальной кривизны реального микрорельефа в перпендикулярных сечениях поверхности после гидроабразивного резания
365 Расчет главной кривизны реального микрорельефа в перпендикулярных сечениях поверхности после гидроабразивного резания
366 Модульная геометрическая модель реального микрорельефа поверхности после гидроабразивного резания
37 Технологическое обеспечение качества поверхности после гидроабразивного резания на основе математического моделирования фрагмента поверхности после обработки
371 Геометрическая модель взаимодействия абразивного зерна с поверхностью заготовки
372 Имитационное моделирование фрагмента поверхности после гидроабразивного резания
373 Оценка адекватности имитационной модели фрагмента поверхности после гидроабразивного резания
38 Выводы по третьей главе
Глава 4 КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ФОРМЫ И РАСПОЛОЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛИ ПРИ ГИДРОАБРАЗИВНОМ РЕЗАНИИ
41 Анализ влияния технологической системы гидроабразивного резания на точность формы и расположение поверхностей обрабатываемой детали
42 Технологическое обеспечение точности криволинейных и угловых элементов контура детали при гидроабразивном резании
421 Моделирование отклонения струи по толщине обрабатываемого материала
422 Моделирование замедления струи по толщине обрабатываемого материала
423 Оценка адекватности модели изменения энергетических параметров струи по толщине обрабатываемого материала
43 Влияние сил резания на точность формы и расположение поверхностей обрабатываемой детали
431 Упругие перемещения сетчатой опорной поверхности для материала под действием сил резания
432 Упругие перемещения решетчатой ножевой опорной поверхности для материала под действием сил резания
45 Влияние режимов гидроабразивного резания на величину отклонений формы, размера и расположения поверхностей обрабатываемой детали
451 Зависимость точности размера верхней поверхности детали от режимов гидроабразивного резания
452 Зависимость точности размера нижней поверхности детали от режимов гидроабразивного резания
453 Зависимость точности формы поверхности детали от режимов гидроабразивного резания
454 Зависимость отклонение формы заданного профиля поверхности детали от режимов гидроабразивного резания
46 Выводы по четвертой главе
Глава 5 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДИСКРЕТНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЙ ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРОАБРАЗИВНОГО РЕЗАНИЯ
51 Концепция реализации и методология оценки эффективности дискретного регулирования состояний технологической системы гидроабразивного резания
52 Технологические основы управления производительностью гидроабразивного резания на дискретном участке контура детали
53 Технологические основы управления точностью и качеством гидроабразивного резания на дискретном участке контура детали
54 Технологии повышения эффективности гидроабразивного резания на основе дискретного регулирования состояний технологической системы
55 Экономическая эффективность применения метода дискретного регулирования технологической системы гидроабразивного резания
55 Выводы по пятой главе
Введение:
В стратегии развития Российской Федерации до 2010 г. приоритетной проблемой определена модернизация отечественной экономики [1]. Основой технического перевооружения всех отраслей экономики является машиностроительное производство, которое является главной отраслью металлообрабатывающей промышленности и занимает центральное место в экономике всех высокоиндустриальных стран.
Повышение конкурентоспособности отечественной машиностроительной продукции требует постоянного обновления ассортимента изделий. Опыт производства ведущих промышленно развитых стран показывает, что наибольшую прибыль можно получить в начале срока поставки новых машин, т.е. при минимальном периоде подготовки производства, определяемом временем технологического оснащения выпуска изделий [2, 3].
По данным Международной ассоциации инженеров-технологов, в мировой экономике на среднесерийное, мелкосерийное и единичное производство приходится 70-80 % общего объема выпуска изделий машиностроения
Сложность машиностроительной продукции выросла в среднем в 6 раз за последние три десятилетия [5, 6]. Из общего числа типоразмеров деталей, изготовляемых в механообрабатывающем производстве, наибольшая часть (более 2/3 общей номенклатуры) приходится на плоские, а также фигурные, профильные и другие детали сложной формы. Плоские детали сложной формы, не относящиеся к телам вращения, имеют значительное число наименований (более 50 % номенклатуры) и составляют 20 - 30 % от общей стоимости механообработки.
В настоящее время для изготовления плоских деталей из листа в заготовительном производстве широкое применение находят различные механические методы обработки [7], в первую очередь резка ножовочными полотнами, ножницами, ленточными пилами, фрезами, штампами и др.
На долю механических методов резания приходится около 70 % всех выполняемых операций. Несмотря на многие достоинства этого процесса, при резании по сложному контуру возникают недостатки, связанные с низкой производительностью, сложностью и высокой стоимостью отрезного инструмента (штамповая оснастка), трудностью или невозможностью раскроя.
Поэтому в гибкоструктурном современном производстве, где месячная программа изготовления сложнопрофильных деталей из листа может измеряться десятками и сотнями штук, применение традиционных методов становится экономически неоправданно.
За последние годы в мировой практике накоплен значительный опыт резания материалов по сложному контуру с использованием электрофизического, электрохимического и физико-химического воздействия [8, 9].
Наиболее эффективным методом, сочетающим высокие показатели, как по производительности процесса, так и по точности и качеству поверхностей реза, является лазерное резание. Весьма эффективным оказалось применение лазерной резки фигурных изделий на стадии освоения новой продукции, так' как из-за высокой гибкости лазерного оборудования значительно сокращаются сроки освоения изделий. В настоящее время высокими темпами развивается резка пространственных изделий, в том числе с использованием роботов-манипуляторов, при этом лазерное излучение к зоне обработки может передаваться по гибкому оптоэлектронному лучепроводу [10].
Преимущества лазерного резания наиболее значимы в среднем и общем машиностроении, на долю которых приходится 40 % товарной продукции отрасли, где основная масса листовых заготовок имеет толщину до 5 - 10 мм.
В сложившихся технико-экономических условиях отечественной промышленности доля тяжелого машиностроения в производстве продукции составляет 60%. Затраты на сырье и материалы здесь составляют от 40 до 85 % [11,12].
Тяжелое машиностроение включает в себя производство морского и речного транспорта, металлургического, горного и подъемно транспортного оборудования, энергетических блоков (паровых котлов, атомных реакторов, турбин и генераторов), а также других крупногабаритных и металлоемких изделий. Для тяжелого машиностроения характерны предприятия полного цикла (заготовка, механическая обработка, сборка) с выпуском продукции небольшими сериями и даже индивидуального назначения. Главной особенностью является использование для получения деталей толстолистового проката толщиной до 150 мм.
Большая толщина листа резко снижает производительность и точность лазерного и механического резания, а для получения сложного контура применяют последующую обработку по периметру детали, трудоемкость которой превышает время разделения материала.
Поэтому применение новых, высокоэффективных, материало- и энергосберегающих технологий радикально решающих вопросы производительности и качества резания толстолистовых материалов, является актуальной-' проблемой в промышленности.
Одной из таких ключевых технологий, позволяющей радикально модернизировать существующие технологические процессы на предприятиях тяжелой промышленности, является резка гидроабразивной струей [13-15].
Резание гидроабразивной струей позволяет:
• повысить точность вырезки деталей, что определяет объем пригоночных работ при сборочно-сварных работах или возможность их полного исключения в случае изготовления деталей «в чистый размер»;
• повысить качество кромок вырезанных деталей, что исключает необходимость их зачистки или механической обработки перед сборкой конструкции;
• повысить производительность вырезки деталей;
• исключить рихтовку заготовок после резки, так как отсутствуют высокие температуры в зоне резания;
• исключить вредные выбросы в окружающую среду и световое излучение, что существенно снижает затраты на обеспечение экологической чистоты процессов и соблюдение требований охраны труда.
Гидроабразивное резание является финишной операцией, так как достигаемые геометрические характеристики и физико-механические свойства поверхности детали не требуют дополнительной обработки.
Значительный вклад в разработку основ конструкторско-технологического обеспечения процесса резания материалов сверхзвуковой струей жидкости внесли известные отечественные и зарубежные ученые: Р.А. Тихомиров, В.Ф. Бабанин, Е.Н. Петухов, И.И. Шапиро, А.А. Семерчан, И.З. Зайченко, И.В. Петко, B.C. Гуенко, В.А. Слабодянюк, В.А. Потапов, И.И. Шапиро, Ю.А. Пономарев, О.И. Скирденко, В.Н. Подураев, В.А. Новиков, А.Ф. Саленко, A. Momber, М. Hashish, R. Kovacevic, Н. Louis, J. Wiede-meier, E. Geskin, R. Mohan, Y. Zhang, D. Arola, M. Ramulu, J. Chao, J. Zeng и др.
Основные подходы к обеспечению производительности и качества резания материалов сверхзвуковой струей жидкости различного состава разрабатываются научной школой Р.А. Тихомирова, Е.Н Петухова. Установлена взаимосвязь технологических факторов процесса гидрорезания и определены оптимальные параметры струи, ее состав и характер воздействия на материал. Изучены схемы микроразрушения материалов при различном характере воздействия струи. Установлена взаимосвязь динамических и геометрических параметров струи и обрабатываемого материала. Разработаны различные структурные схемы гидрорезания.
Вместе с тем, нуждаются в совершенствовании вопросы взаимосвязи шероховатости, точности формы и расположения поверхности реза с направлением формообразования деталей фасонного контура при гидроабразивном резании.
Обеспечение и повышение производительности и качества немыслимы без серьезных научных достижений в области создания гидрорежущего оборудования. В этой области необходимо выделить труды Ю.Н. Лаптева, А.Т. Момчилова, B.C. Гуенко, И.И. Шапиро, С.В. Беляева, В.А. Слабодянюка, И.В. Петко, М. Hashish, R. Kovacevic, В. Liu, J. Fair, С. Brandt и др.
В связи с ростом требований к шероховатости, точности формы и расположения поверхности реза после гидроабразивного резания большое внимание уделяется исследованию применяемого абразивного материала (зернистости, материалу абразива и его твердости, распределению формы и режущих кромок). Результаты изучения влияния свойств абразива на механизм формирования микрогеометрии поверхности реза и достигаемой производительности представлены в трудах И.В. Петко, В.А. Слабодянюка, Ю.В. Клап-цова, М. Agus, Н. Wadell, Н. Heywood, S. Bahadur и R. Badruddin, J. Vasek, A. Laurinat. Однако все имеющиеся расчетные зависимости (за исключением чисто эмпирических) для определения толщины среза, силы резания, скорости съема металла имеют в своем составе в качестве переменных факторов только диаметр зерна.
Расчеты по этим зависимостям и анализ влияния технологических факторов на формирование шероховатости поверхности сопряжены с погрешностями не только количественного, но и качественного характера.
Технологические трудности, связанные с достижением требуемой шероховатости, точности формы и расположения поверхности реза, могут быть преодолены на основе применения современного программного обеспечения, способного не только моделировать взаимодействие между струей и материалом, но и программировать движение инструмента перед обработкой, оценивать время резания. Большой вклад в развитие этого направления внесли И.И. Шапиро, М.В. Барабанов, Г.М. Иванов, В.К. Свешников, J. Zeng, J. Munoz, P. Singh, M. Varghese, A. Thomas, Geskin E.S., D. Arola, M. Ramulu, R. Kovacevic, R. Mohan, M. Hashish, A. Momber и др. [16 - 21].
Очевидные технические и экономические преимущества гидроабразивного резания, позволили только на одном предприятии Санкт-Петербурга АО «ЭЛЕКТРОСИЛА» за год экономить материала до 48 тонн, сократить 11 единиц оборудования и получить экономический эффект более 30 млн. руб [22].
Более низкий уровень цен на водоструйную технику, выпускаемую в России (в 5-6 раз), по сравнению с импортной, повышает конкурентоспособность отечественной продукции на внутреннем рынке этого оборудования. Это в целом и определяет конкурентоспособное преимущество его использования в России [23].
Однако, при оснащении предприятий новыми установками АО ВАЗ (г. Тольятти), АО ЗИЛ (г. Москва), АО ВТЗ (г. Владимир), АО «ЭЛЕКТРОСИЛА» (г. Санкт-Петербург), МТЗ (г. Минск), УРАЛТРАНСГАЗ, Верхнесал-динском металлургическом ПО и др. в рамках экспертного исследования установлено, что на 39% предприятий возникают проблемы с системой высокого давления, на 19 % - со струеформирующими соплами, на 3% - с системой подачи сопла, на 47 % - с управлением процессом при резании по сложному контуру, достигаемой производительностью и качеством обработки.
При резании толстолистового материала толщиной 20 - 150 мм изменение разрушающего действия струи в осевом и радиальном направлении при корректировке скорости подачи сопла приводит к колебанию размеров (± 1 мм), нестабильности шероховатости и формы поверхности детали.
Для таких условий обработки только методом пробных проходов можно определить, где и насколько необходимо изменить рекомендуемую скорость гидроабразивного резания для достижения требуемой шероховатости, точности формы и расположения поверхностей сложнопрофильных детали.
В то же время современное машиностроительное производство характеризуется постоянным ростом требований к уровню затрат и трудоемкости изготовления выпускаемой продукции.
Поэтому, чтобы быть конкурентоспособными, необходимо учитывать факторы, влияющие на точность и качество резки. Так, только в судостроительном производстве при традиционной для плазменной и кислородной резки погрешности размера 4 - 6 мм на 10 м длины детали, расходы времени на сборочно-сварные операции составляют 80 чел.ч. [24]. При увеличении же точности размера до 2 мм на Юм расходы времени уменьшаются до 25 чел.ч., а при точности, достижимой в случае гидроабразивного резания, 0,1 -1 мм - в 3 и более раз, что снижает время изготовления судна на 6 - 12 месяцев.
Несмотря на большое количество работ по проблемам математического моделирования технологической системы гидроабразивного резания, в настоящее время отсутствуют общие подходы к ее исследованию. Имеющиеся модели касаются, как правило, отдельных аспектов функционирования конкретной технологической системы. Такие модели включают в себя прогноз поведения отдельных элементов технологической системы, как правило, режущего инструмента - струи жидкости, которое связано с некоторой узкой производственной целенаправленностью.
Созданные к настоящему времени научные разработки, технологии и оборудование гидроабразивного резания направлены в основном на обеспечение самого процесса разделения материала, а не на обеспечение точности и качества изделия. Часто достижение необходимой производительности находится в противоречии с требуемым качеством. В большинстве случаев рекомендации по выбору режимов резания определены только для случая резания по прямой линии, а при обработке криволинейного контура детали зачастую только методом пробных проходов можно определить, где и насколько необходимо изменить рекомендуемую скорость резания, для достижения заданного качества и производительности. В то же время установлено, что повышение точности этих операций, существенно повышает производительность последующих сборочных работ.
В этой связи актуальным направлением в области машиностроительного производства является поиск путей повышения эффективности технологических процессов гидроабразивного резания листовых материалов.
Цель работы заключается в обеспечении требуемой точности и качества обработки плоских деталей машин сложной формы путем научно-обоснованного выбора параметров, режимов и схем управления технологической системой гидроабразивного резания.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на научных положениях системного анализа, технологии машиностроения, гидродинамики, теоретической физики, теории организационных структур, тензорного и численного анализа, дифференциальной геометрии, теории вероятности, теории упругости. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием методов математического планирования и анализа экспериментов.
Научная новизна заключается в создании научно-технологических основ дискретного регулирования состояний технологической системы гидроабразивного резания, заключающихся в разработке комплекса математических моделей технологического обеспечения для обоснованного выбора технологических факторов и организации технологических процессов с дискретным регулированием их параметров в процессе обработки по критериям управления эффективностью работы технологической системы.
Получены следующие новые научные результаты:
• разработаны концептуальные схемы и варианты эффективного управления организационной структурой технологической системой гидроабразивного резания, в которых требуемая точность и качество обработки обеспечивается путем коррекции всех регулируемых в процессе резания технологические факторов: скорости подачи сопла, давления истечения струи, расхода абразива, расстояния от сопла до материала;
• впервые разработан комплекс математических моделей, описывающих движение фронта разрушения материала под действием гидроабразивной струи в радиальном и продольном к подаче направлении, что позволило прогнозировать точность обработки деталей машин сложной формы;
• разработана теория и программное обеспечение представления микрорельефа поверхности в виде пересекающихся модулей (поверхностей соприкасающегося параболоида), что позволило создать имитационную модель состояния поверхности детали после гидроабразивного резания с учетом размера, формы и движения зерна;
• созданы научно-технологические основы нового метода дискретного регулирования параметров технологической системы по контуру детали, разработана методология и критерии оценки эффективности управления, отражающие влияние принятых технологических параметров на точность, качество и производительность обработки.
Автор защищает:
• геометрическую модель движения фронта разрушения материала под действием гидроабразивной струи в радиальном к подаче направлении;
• математическую модель влияния режимов гидроабразивного резания на активную границу действия струи;
• математическую модель отклонения гидроабразивной струи по толщине обрабатываемого материала;
• математическую модель изменения энергетических параметров гидроабразивной струи по толщине материала;
• математическую модель изменения по толщине интенсивности разрушения материала под действием гидроабразивной струи в радиальном к подаче направлении;
• математическую модель интенсивности разрушения материала периферийной областью струи;
• математическую модель числа абразивных зерен, формирующих состояние поверхностного слоя;
• имитационную модель состояния поверхностного слоя детали при гидроабразивном резании, ядром которой является разработанная теория и математический аппарат поверхностного моделирования на основе параболической интерполяции;
• технологические основы нового метода дискретного регулирования состояний технологической системы гидроабразивного резания,
• методологию оценки эффективности работы технологической системы на основе критериев эффективности дискретного регулирования состояний технологической системы;
• комплекс технологических приемов дискретного регулирования состояний технологической системы для достижения заданного качества и точности обработки.
Практическая ценность и реализация результатов работы:
Разработаны схемы и варианты эффективного управления организационной структурой и технологическими факторами гидроабразивного резания, которые легли в основу технологических приемов дискретного регулирования состояний технологической системы.
Создана имитационная модель состояния поверхностного слоя детали после гидроабразивного резания, что позволяет, исходя из заданной шероховатости для любого дискретного элемента контура детали, назначить технологические параметры процесса обработки.
Разработано технологическое обеспечение точности гидроабразивного резания, позволяющее выбрать оптимальные параметры обработки для любой технологической ситуации.
Разработана методология оценки эффективности дискретного регулирования состояний технологической системы гидроабразивного резания, позволяющая обеспечить требуемое качество и производительность обработки при минимальных энергетических затратах.
Разработаны технологические основы и приемы дискретного регулирования состояний технологической системы гидроабразивного резания, что позволяет обеспечить шероховатость, точность формы и расположение поверхности реза с учетом изменения энергетических и динамических характеристик гидроабразивной струи, а также упругих отжатий технологической системы гидроабразивного резания.
Результаты исследований нашли применение на ЗАО «Радуга» и УПП ВОГ (г. Орел), на АООТ «Ливенский машзавод» и ОАО «Ливнынасос» (г. Ливны) и на ОАО "Рудоавтоматика" (г. Железногорск), а так же в учебном процессе при чтении курса «Специальные методы обработки материалов» для студентов специальности 120100 «Технология машиностроения».
Актуальность исследований подтверждается выполнением работ в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002 - 2006 годы, гранта Президента Российской Федерации для поддержки молодых ученых, грантов Минобрнауки по фундаментальным исследованиям в области технических наук и на проведение молодыми учеными научных исследований в ведущих научно-педагогических коллективах высших учебных заведений, грантов РФФИ.
Результаты работы, в совокупности с результатами других разработок, выдвигались на соискание премии Правительства Российской Федерации 2005 года в области науки и техники для молодых ученых.
Публикации. По теме работы опубликовано 92 печатных работ, в том числе 2 монографии, 12 патентов РФ.
