Оптимизация технологических процессов механической обработки

ляющими выбирать необходимые условия обработки. Обязательное* условие этих параметров — возможность их управления и контроля.

3. Вектор выходных параметров У = (У19 К2, ..., Ут). Эти парамет­ ры, ранее названные производными переменными, определяют основ­ ные характеристики качества продукции и технико-экономические по­ казатели, связанные с рассматриваемым процессом.

Значения каждого из рассмотренных параметров находятся в опре­ деленном интервале, задаваемом физической природой данного парамет­ ра или требованиями к ТП, поэтому группа ограничений, связанная с диапазоном варьирования пераметров, может быть представлена в ви­

большого числа факторов — причин, определяющих выполнение како­ го-либо процесса обработки. Причем в каждой задаче требуется учи­ тывать определенный вид факторов, в наибольшей степени влияющий на принимаемые решения.

Анализ процессов механической обработки показывает, что в боль­ шинстве случаев требуется учитывать пять основных групп факторов.

Первая группа характеризует объект обработки (заготовку): вид, материала, твердость и другие механические свойства, способ получе­ ния заготовки, ее размеры, массу, точность размеров, шероховатость поверхности.

Вторая — основные параметры орудий труда (станок, приспособле­ ние, инструмент): вид, кинематику и динамику станка, жесткость, проч­ ность и точность отдельных элементов и системы в целом.

Третья — выбираемые параметры инструмента для исследуемого про­ цесса обработки: физико-механические свойства материала режущей части инструмента, геометрические параметры его заточки, размеры и точность, степень изношенности, шероховатость поверхности, зерни­ стость и вид связки, стойкость инструмента.

Четвертая — процесс механической обработки: время и глубину об­ работки, скорость, подачу, число проходов, усилие резания, давление, вид и способ подачи технологических сред.

Пятая — технико-экономические показатели: расход инструмен­ та, износ инструмента и станка, производительность и себестоимость обработки, качество изделия (точность, шероховатость поверхности и физико-химические свойства, вид и форму детали, вид производства).

Вектор входных параметров V объединяет первую и вторую груп­ пы факторов. Вектор технологических параметров X формируется из третьей и четвертой групп факторов, а вектор выходных параметров У включает пятую группу факторов.

Вектор необходимого количества параметров обработки связан с требуемой точностью описания математической моделью процесса обра­ ботки и структурным уровнем отыскиваемых проектных решении. Так,

при проектировании маршрута обработки в качестве технических ограничений учитываются вид и материал заготовки, вид и форма дета­ ли, ее точность, шероховатость и физико-химические свойства, вид стан­ ка, традиционная форма обработки на заводе, серийность и др.

Наиболее полно в технологии машиностроения описывается мате­ матическая модель процесса обработки при выборе оптимальных режимов резания, точность получения которых во многом зависит от количества и достоверности описания технических ограничений.

Недостатком используемых в качестве технических ограничений стойкостных и силовых зависимостей для расчета режимов резания яв­ ляется недостаточная высокая точность. В существующей справочной литературе по резанию металлов отсутствуют данные по диапазонам, в которых эти зависимости справедливы. Хотя известно, например, что зависимости для определения стойкости инструмента и усилия резания применимы в довольно узком интервале скоростей резания. Поэтому в настоящее время необходимо проводить исследования и обобщать име­ ющийся материал по созданию точных функциональных зависимостей, отражающий во всей полноте процесс резания металлов. Причем в ос­ нову этих работ должны быть положены результаты современных тео­ ретических и экспериментальных исследований по изучению тепловых явлений и напряженного состояния в зоне резания. Так, в результате исследований в последние годы установлен ряд новых положений, к ; торые необходимо учитывать при определении вида технических ограничений [27].

Основные из них следующие.

1.Зависимость интенсивности износа инструмента от скорости ре­ зания для различных обрабатываемых материалов, различных опера­ ций механической обработки и условий резания носит немонотонный характер с одним или двумя минимумами.

2.Чем ниже обрабатываемость металла резанием, тем более ярко выражен экстремальный характер зависимости интенсивности износа от скорости резания и тем большее значение приобретает определение оптимальных скоростей резания, характеризующихся наименьшей интенсивностью износа инструмента и наибольшей стабильностью про­ цесса резания.

3.Назначение режимов резания без учета действительного характе­ ра стойкостных зависимостей приводит к значительным потерям про­ изводительности обработки, размерной стойкости инструмента и повы­ шению себестоимости выполнения операции.

4.Наличие взаимосвязи минимальной интенсивности износа инстру­ мента и постоянства оптимальной температуры резания для различных видов обработки металлов резанием лезвийным инструментом.

Выполняемые исследования закономерностей протекания различ­ ных видов технологических процессов механической обработки должны быть направлены на установление количественных зависимостей, позволяющих обоснованно выбрать технические ограничения при соз­ дании математических моделей оптимизации решения технологических задач.

S.Виды оптимизации процессов механической обработки

Задача оптимизации ТП является комплексной, требующей проведе­ ния анализа и выбора технологических решений на различных уровнях проектирования и обеспечивающей минимальные значения приведен­ ных затрат с одновременным соблюдением ряда технических ограни­ чений.

При комплексном подходе следует различать два вида оптимиза­ ции ТП, выполняемых на различных этапах технологического проек­ тирования по ГОСТ 14.301—83 (табл. 1): 1) структурная оптимиза­ ция —*выбор оптимального технологического маршрута, операции, перехода, вида и методов изготовления заготовки, способов базирова­ ния, оборудования, приспособлений, инструмента и т. д.; 2) пара­

Такой_подход к оптимизации значительно усложняет решение зада­ чи. Так/^при параметрической оптимизации необходимо иметь решение о выборе "Структуры соответствующего уровня. В то же время струк­ турная оптимизация требует знания значений параметров, входящих в соответствующую структуру.

оптимальных решений разных уровней предпочтительнее разработка процесса, начиная с наиболее общих вопросов в направлении их детализации, что свойственно первому подходу.

Исследование проблемы оценки и выбора проектных решений на промежуточных этапах проектирования свидетельствует о предпочти­ тельности членения процесса проектирования на три этапа: разработка принципиальной схемы ТП, проектирование структуры в рамках при­ нятой принципиальной схемы, определение параметров решения изве­ стной структуры [26]. Главной особенностью такого подхода является возможность использования на различных этапах разных по виду кри­ териев оптимальности и технических ограничений.

Принципиальная схема модели многоуровневой оптимизации пока­ зана на рис. 5.

Выбор принципиальной схемы ТП основан на анализе наиболее ра­ циональных маршрутов обработки каждой поверхности. В свою очередь, каждый из этих маршрутов обусловливается методами формообразова­ ния, включенными в него. Оценка влияния отдельных методов на этом этапе проектирования на окончательные показатели эффективности ТП затруднена и может быть установлена в самом общем виде. В рабо­ те [26] предложено использовать оценку методов формообразования по порядковому критерию теоретической производительности, по которой понимается скорость генерации поверхностей определенным методом. В соответствии с этой классификацией все методы разбиты на классы и подклассы по теоретической производительности (количеству и виду движений) и проранжированы.

При таком подходе выбор маршрута обработки отдельных поверх­ ностей определяется по минимуму суммы рангов всех методов, входя­ щих в анализируемые маршруты. Используемый показатель теоретиче­ ской производительности формообразования того или иного метода в определенной степени отражает затраты по минимуму станкоемкости. В то же время следует отметить, что более точная оценка на этом этапе невозможна, так как для расчета величин затрат необходимо решение о привязке к вполне конкретным затратам по технологическому оснаще­ нию ТП и его нормированию, которые проводятся на более поздних эта­ пах проектирования.

Выбор структуры ТП механической обработки сопряжен с затруд­

Выбор оптимальных параметров обработки производится для извест­ ных структур операций, когда выбраны оборудование, инструменты, приспособления. Он заключается в общем случае в выборе таких взаи­ мосвязанных параметров, как межпереходные припуски и допуски, скорость резания, подача, число проходов. Их различные сочетания да­ ют большое число вариантов обработки, неравнозначных по совокуп­ ным затратам общественного труда. В частных случаях какие-то параметры могут быть заданы. Например, расчет припусков и допусков может вестись независимо от оптимизации остальных пара­ метров и быть исходным пунктом этой оптимизации.

Выполняемые работы по оптимизации режимов резания при механи­ ческой обработке следует рассматривать еще в двух аспектах. Во-пер­ вых, необходимо учитывать, что в процессе резания возникают возму­ щающие воздействия, связанные с изменением припуска, свойств материала заготовки, геометрического и физико-механического состоя­ ния режущего инструмента. Если создать условия, компенсирующие возмущающие воздействия за счет введения адаптивного или другого вида управления, обязательным требованием которого является нали­ чие обратной связи, то возможно обеспечить непрерывную или внут­ реннюю оптимизацию. В основу такого подхода должны быть положены динамические модели процесса резания. Во-вторых, рассматриваемые работы могут представляться как «внешняя оптимизация» [24], которая не учитывает изменяющихся во времени возмущающих воздействий и определяет параметры режимов резания, обеспечивающих достижения некоторой цели. В основу такой оптимизации положены статиче­ ские модели. Организационно второй вид оптимизации проводится на ранних этапах ТПП, и его результаты используются в дальнейшем при внутренней оптимизации.

Выбор оптимального варианта технологического процесса в целом связан с окончательной оценкой полностью разработанного проекта. В основе его оценки должны лежать показатели и ограничения в явном или неявном виде, характеризующие все параметры предыдущих уров­ ней оптимизации. В роли такого обобщающего показателя экономиче­ ской эффективности обычно используется показатель приведенных на­ роднохозяйственных затрат на производство единицы продукции данным ТП [12, 26]. Расчёт обобщающего показателя необходим по нескольким причинам: 1) для выбора единственного, самого эффективно­ го варианта, если предыдущие уровни оценки показали равноценность решения; 2) для уточнения и проверки отдельных элементов затрат, определявшихся ранее приближенно; 3) для определения абсолютных величин приведенных затрат, используемых в дальнейшем для экономи­ ческого обоснования планов новой техники.

Разработка оптимальных ТП по описанной схеме представляет собой итерационный многоуровневый процесс последовательной детализации и оптимизации, содержанием которого является многократное повто­ рение процедур анализа — синтеза — оценки (рис. 7). Анализ исход­ ных данных, условий и ограничений позволяет установить границы об­ ласти возможных технологических решений. С помощью процедур син­ теза получают технологические решения, допустимые по совокупности

где Оф — фактическое число единиц оборудования и технологической оснастки; 0 Т— требуемое число единиц оборудования и технологиче­

Здесь M ri — количество /-го материала в готовом изделии, кг или шт; МрС— количество /-го материала, расходуемого в процессе произ­ водства на операции, т. е. норма расхода с учетом запуска, кгилишт;

на /-й операции; тц — коэффициент выхода годных деталей на /-й опе­

где Qi — количество оригинальных операций.

Стандартными называются операции, выполнение которых регла­ ментируется документами, входящими в государственные или отрасле­

вые стандарты, а унифицированные — типовыми заводскими докумен­ тами.

Для вычисления комплексного показателя технического уровня ТП применяют, как отмечалось ранее, аддитивную функцию вида

п т

Выбор оптимального варианта проводится по максимальной величи­ не комплексного показателя Пк, который относится к нескольким свой­ ствам технологического процесса.

Средневзвешенное значение комплексного показателя получается делением FK на число частных показателей п ТП.

Важным является определение значимости показателей (коэффи­ циентов весомости). Показатели, имеющие размерность, следует пре­ образовать в относительные значения. Формализация частных показа­ телей дает возможность суммировать неоднородные величины. При этом отдельные показатели должны быть приведены к такому виду, чтобы лучшему показателю соответствовал больший коэффициент. Весовой уровень каждого показателя устанавливается экспертным путем. Зна­ чение коэффициентов зависит от их важности.