книги / Оптимизация технологических процессов механической обработки

УДК 621.9:681.3 С24

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор Е.Д. Мокроносов (Пермская компания нефтяного машиностроения); кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения» А.С. Донсков (Пермский государственный технический университет)

Свирщёв, В.И.

С24 Оптимизация технологических процессов механической обработки: учеб. пособие / В.И. Свирщёв. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2006. – 116 с.

ISBN 5-88151-557-9

Рассмотрены системное моделирование технологических процессов мехобработки при решении оптимизационных задач, виды моделирования, выбор и проектирование прогрессивных методов обработки в САПР ТП.

Предназначено для студентов очной и заочной форм обучения по специальности 120100 «Технология машиностроения» по направлению 657800 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».

УДК 621.9:681.3

© ГОУ ВПО «Пермский государственный технический

ISBN 5-88151-557-9 университет», 2006 © Свирщёв В.И., 2006

2

2.5.Выбор припусков и операционных размеров по типовым маршрутам обработки ……………………………….. 50

3.Параметрическая оптимизация процессов механической обработки …………………………………………………….. 57

3.1.Выбор параметров оптимизируемых процессов об-

работки ……………………………………………………….. 57

3.2.Постановка задачи расчета оптимальных режимов обработки материалов резанием ……………………………. 58

3.3.Расчет оптимальных режимов резания методом линейного программирования …………………………………. 60

3.4.Оптимизация режимов мехобработки при непре-

4.1.Задачи, решаемые при автоматизированном выборе

ипроектировании прогрессивных технологий …………...... 91

4.2.Формирование процесса обработки (ПО) ………….. 97

4.3.Построение кинематических схем формообразова-

ния (СФО) ……………………………………………………. 100

4.4.Классификация методов обработки (МО) ………….. 102

4.5.Выборметодовобработки………………………………. 105

4.6.Синтез новых методов обработки …………………... 111

Список литературы …………………………………………... 114

3

ВВЕДЕНИЕ

Повышение эффективности машиностроительных производств неразрывно связано с совершенствованием технологии производства изделий. Проектирование техпроцессов требует учета большого количества факторов, характеризующих множество элементов со сложными и разнообразными связями между ними, изменяющихся во времени и пространстве. При этом часто возникает задача выбора среди множества вариантов наиболее рационального по некоторому критерию и обеспечивающего заданные параметры качества изготавливаемых изделий.

В условиях ручного проектирования техпроцессов не представляется возможным разрабатывать и анализировать большое число вариантов, так как это связано со значительной трудоемкостью. Решение подобных задач становится возможным при создании систем САПР ТП [1, 2]. Эти системы, наряду со значительным сокращением сроков проектирования, позволяют существенно повысить качество проектных решений за счет оптимизации принимаемых решений на всех этапах технологического проектирования.

Оптимизация – это процесс нахождения экстремального значения некоторой количественной величины проектируемого объекта, представляемой в виде функции. Если эта функция характеризует положительные свойства объекта, то находится максимальное ее значение, если отрицательные – то минималь-

4

ное. Обычно в инженерной практике используется термин «оптимальное решение», под которым понимается наилучшее из некоторого множества решение, удовлетворяющее всем требованиям, предъявляемым к проектируемому объекту.

Применительно к проектированию технологических процессов вопросы оптимизации технических решений усложнены трудностью построения математических моделей рассматриваемых объектов, что связано с низким уровнем формализации существующих методов проектирования техпроцессов. При этом главным недостатком существующих методов оптимизации техпроцессов является то, что для функции цели и технических ограничений не установлены зависимости, которые учитывали бы все факторы и охватывали бы все возможные случаи. Даже с введением упрощений пока не удается получить общие математические модели техпроцессов изготовления любого типа деталей для различных производственных условий.

Основной целью техпроцесса или его элемента обычно является обеспечение заданных характеристик качества изделия наиболее производительным путем при минимальных затратах. Отсюда вытекает необходимость в установлении двух главных критериев оптимальности: максимальной производительности и минимальной себестоимости. В зависимости от вида и уровня оптимизации техпроцессов могут использоваться и другие критерии, объединенные в группы экономических, технико-экономических, технологических и эксплуатационных критериев.

5

Важной задачей при построении математических моделей техпроцессов является выбор и описание технических ограничений, учитывающих действия различных факторов описываемого процесса и связанных с влиянием на него различных вещественных факторов производства (предмет производства, характеристики исходной заготовки, оборудования, технологического оснащения и др.).

При комплексном подходе к оптимизации ТП следует различать два вида оптимизации: структурную и параметрическую.

1. СИСТЕМНО-СТРУКТУРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МЕХОБРАБОТКИ

1.1. Системный анализ процессов мехобработки

При разработке техпроцессов (ТП) или отдельных операций возникает множество возможных решений. При «ручном» проектировании обычно отдельные решения выбираются на основе опыта технолога. Такой подход не может быть использован при создании САПР ТП, в основу которых должны быть положены математические модели процессов обработки.

Любой ТП изготовления изделия можно рассматривать как последовательное изменение состояния объекта производства – заготовки от ее исходного состояния к конечному. При этом ТП представляется в виде сложной системы, в которой можно выделить входные периметры (характеристики заготовки), выходные (характеристики детали) и управляющие технологические (режимы обработки, виды операций и др.). Эту систему можно

6

разделить на подсистемы, сохраняя при этом имеющиеся связи с системой в целом, и рассматривать их в отдельности. Рассмотрим системную модель процесса обработки (ПО) (рис. 1.1), выделив при этом три входных потока: материю, энергию и информацию.

Энергия Информация

Рис. 1.1. Системная модель процесса обработки

Под материей в машиностроении понимаются материалы в жидком или твердом состоянии, предварительно прошедшие или не прошедшие какую-либо обработку. Поток материалов под воздействием потоков энергии и информации преобразуется в готовое изделие – результат, получаемый на выходе процесса обработки и отличающийся от суммы входных потоков массой, физико-химическим состоянием и энергией, а также количеством содержащейся в нем геометрической информации, выраженной в изменившейся форме изделия. Сущность ПО состоит в передаче информации на объект (материал) с помощью энергии. Рассмотрим информационную модель процесса формообразова-

ния (рис. 1.2).

7

роваться в целом как единый объект с заданным целевым назначением.

2.Система должна оптимизироваться по количественному критерию, отражающему в математической форме цель оптимизации. Этот критерий, представленный в виде функции оптимизируемых параметров, является целевой функцией.

3.Система оптимизируется в условиях количественно определенных ограничений на оптимизируемые параметры. Это означает, что оптимальность системы всегда относительна, условна. При изменении условий оптимизации, математически определяемых системой функциональных равенств и неравенств, изменяются оптимальный проект системы и экстремальная величина целевой функции.

Наибольшее распространение при оптимизации ТП получили методы матмоделирования, связанные с построением матмоделей, в которых находят отражение требования, предъявляемые к искомому решению, и факторы, которые должны быть учтены при его выборе.

Математическая модель – это совокупность математических объектов и отношений между ними, которая адекватно отображает свойства проектируемого ТП. Несмотря на многообразие матмоделей, они имеют общую структуру. Так, все переменные в матмоделях делятся на три группы: неуправляемые, управляемые и производные.

В реальных проектных задачах возникает необходимость

9

при выборе некоторого решения учитывать возможность одновременного достижения нескольких целей и подчас противоречивых. В этих случаях приходится учитывать несколько частных критериев оптимальности путем построения обобщенного критерия. Зависимость между обобщенным критерием оптимальности и подлежащими оптимизации параметрами также называют целевой функцией.

Целевая функция должна удовлетворять следующим требованиям:

−достаточно полно описывать объект оптимизации;

−иметь определенный физический смысл;

−просто описываться в математическом виде;

−определяться с требуемой точностью.

Для отыскания экстремума целевой функции используются различные методы оптимизации: классический метод дифференцирования; линейное, квадратичное и динамическое программирование.

1.2. Выбор и характеристика критериев оптимальности ТП

Основной целью ТП или отдельной операции является обеспечение заданных характеристик качества изделия (детали) наиболее производительным путем при минимальных затратах. Чем производительнее и экономичнее операция, тем она более эффективна. То же можно сказать и по отношению к ТП в целом.

10