Об одном подходе к построению интерактивной подсистемы автоматизации умственного труда технолога при обработке металлов резанием. Часть 1 Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.4

ОБ ОДНОМ ПОДХОДЕ К ПОСТРОЕНИЮ ИНТЕРАКТИВНОЙ ПОДСИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ УМСТВЕННОГО ТРУДА ТЕХНОЛОГА ПРИ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ. Часть 1

© 2015 А. И. Барботько1, В. М. Довгаль2

1канд. техн. наук, профессор, профессор кафедры безопасности жизнедеятельности в техносфере, e-mail: anivanbar@yandex.ru 2докт. техн. наук, профессор кафедры программного обеспечения и администрирования информационных систем, e-mail: vmdovgal@yandex. ru

Курский государственный университет

В статье рассматриваются проблемы автоматизации умственного труда технолога обработки металлов резанием в ситуациях нагрева и износа инструмента, а также образования нароста на нем, кроме того, в условиях ошибок оператора-наладчика или технолога. Разрабатываются математические модели локальных процессов в рассматриваемых ситуациях и их объединение в локальную подсистему поддержки принятия решений технологом.

Ключевые слова: обработка, металл, технолог, подсистема, автоматизация, умственный, труд, инструмент, нагрев, износ, нарост.

В последнее время эксперты аудиторско-консалтинговой компании McKinsey & Company (США) анонсировали двенадцать перспективных технологий, в число которых входит автоматизация умственного труда (Automation of Intellectual Labor) [Прорывные технологии 2013]. В технологиях машиностроения достигнуты высокие результаты автоматизации физического труда, между тем при автоматизации умственного труда требуются новые подходы и инструментальные средства в виде предметных и математических моделей (для сокращения объемов экспериментальных работ), алгоритмов и программ интерактивных информационных систем, обеспечивающих повышение производительности и качества профессиональной деятельности технологов в сфере обработки металлов резанием. Второй важной функцией такого рода систем автоматизации умственного труда технологов (САУТТ) является обучение тех из них, которые еще не имеют знаний в сфере новых высоких технологий или достаточного опыта практической работы.

Цель данной публикации заключается в предварительном исследовании и определении степени зависимости и независимости изменений переменных в теории резания материалов путем создания локальной подсистемы принятия решений в САУТТ.

Переменные какого-либо явления, оказывающие влияние на выходные показатели систем обработки материалов резанием, подразделяются на независимые и зависимые. Принято считать, например, в машиностроении глубину резания t, подачу резания S и скорость резания V (основные управляющие переменные механической обработки материалов резанием) условно независимыми друг от друга. Но каждый из них зависит от других параметров или переменных. Например, скорость резания, скорость движения инструмента - фактор, зависимый от пути движения L и времени. При вращательном движении линейная скорость зависит от частоты вращения вала и его диаметра, и V = ~~ (м/мин). Рассмотрим примеры взаимосвязи переменных t, S и

V применительно к одному из наиболее распространенных выходных показателей всех процессов и операций механической обработки материалов резанием - силе резания ¥, описываемой по одному из общеизвестных эмпирических соотношений:

=СГ8Ь^С-КР, (1)

где t, 8, V и а, Ь, с - условно независимые между собой факторы, которые задаются в начале технологических периодов процесса резания, на этапах настройки, С, Кр - коэффициенты, ъ - индекс направления вертикальной составляющей силы резания или скорости.

Необходимо отметить, что приведенная выше степенная зависимость силы от переменных, отличается тем, что показатель степени с при переменной V трижды меняет свое значение по мере изменения скорости. При малых скоростях, в первом интервале с имеет сначала отрицательное, а затем - во втором интервале со средними значениями скорости V - положительное значение. В третьем, интервале высоких значениях скорости, который преимущественно используется в процессах резания, поскольку он содержит промышленные значения скоростей резания, показатель степени с имеет отрицательное значение, меньшее единицы [Справочник технолога-машиностроителя 1985; Г. Грановский, В. Грановский 1987; Бобров 1975].

В нормативах по режимам резания отражаются экспериментально установленные значения этих показателей степени. Они изменяются в зависимости от видов обрабатываемых и инструментальных материалов и условий резания. Во многих случаях а, Ь и С для третьего интервала изменения скорости имеют значения соответственно 1.0; 0,75; - 0,15. Для уточнения этих значений при настройке технологических операций могут проводиться дополнительные экспериментальные исследования.

Условно независимые между собой переменные, принимаемые в начале процесса резания t, 8, V, на этапе настройки определяют из следующих соотношений:

1) * = (мм);

2) Б = ! (мм/об);

!

3) V = ^^ (м/мин);

у 1000 4

4) Виз - диаметр изделия;

5) Вз - диаметр заготовки;

6) Vs - скорость движения подачи;

7) п - частота вращения шпинделя.

На этом основании следует вывод о том, что в действительности параметры 8 и

V взаимосвязаны между собой значениями частоты вращения шпинделя п. Переменные t и V также зависимы и определяются величиной диаметра изделия.

Структура связи факторов может быть представлена следующей схемой:

F,

С

/с

S

V

кР

Причины изменения 1-й уровень изменения факторов i i i Причины изменения

ф ф ф D3 DU3 l/s nDU3n 2 п ЮОО ф © ф

2-й уроВвнь изменения факторов

Ф Ф D3 DU3 l/s nDu3n 2 п ЮОО Ф Ф

Причины изменения факторов t, S, V.

Барботько А. И., Довгаль В. М. Об одном подходе к построению интерактивной подсистемы автоматизации умственного труда технолога

при обработке металлов резанием. Часть 1

1-й уровень отражает причины, вносимые изменениями элементов зоны резания:

- нагрев инструмента;

- износ инструмента;

- образование нароста на инструменте.

2-й уровень составляют причины, вносимые технологическими параметрами системы резания, и определяются:

- ошибками оператора-наладчика;

- ошибками технолога.

В первой части данной публикации выполним исследование зависимостей между параметрами резания материалов при нагреве и износе резца и разработаем локальную математическую модель подсистемы поддержки принятия решения только для этих двух особенностей рассматриваемого технологического процесса. Соответственно, во второй части публикации выполним исследование особенностей зависимости факторов резания при образовании нароста на инструменте и влиянии ошибок оператора-наладчика и технолога и разработку локальной подсистемы поддержки принятия решений для этих процессов с последующей интеграцией локальных подсистем в единую подсистему.

Нагрев резца и его удлинение при нагреве приводит:

a) к уменьшению скорости и, соответственно, к увеличению силы на основании того, что показатель степени скорости имеет отрицательный знак в третьем интервале изменения скоростей, а уменьшение значения Vеz >1 в знаменателе (1) приводит к увеличению значения дроби;

b) к стабильному значению подачи с сохранением значения силы;

c) к увеличению глубины резания с увеличением силы.

Символически это можно записать следующими схемами изменения переменных:

1. (Vzb ^ Ао ^ V (с, п = const) ^ t Fz,

2. (tа) ^ X DU3 ^ Т tа (а, п = const) ^ Т Fz,

где I, Т - знаки уменьшения и увеличения переменных.

Поскольку подача S не вносит изменений в рассматриваемые составляющие силы резания Fz, то при нагреве резца будем принимать S = const.

Приведенный упрощенный анализ нагрева резца позволяет получить вывод о том, что на основании удлинения резца при нагреве и соответствующего ему в процессе резания уменьшения диаметра изделия уменьшается и скорость. Поскольку показатель степени е < 0 - для третьего интервала изменения скорости, то Vez оказывается в знаменателе соотношения (1), в результате увеличивается сила резания. Вместе с этим при уменьшении диаметра изделия увеличивается глубина резания, и в соответствии с соотношением (1) при подстановке ta и a = 1 увеличивается сила резания. Таким образом, между скоростью резания и глубиной резания существует зависимость.

Получим аналитический вид этой зависимости для вертикальной составляющей силы резания.

Очевидно, что Биз = Бз - 2-t, но при удлинении резца при его нагреве Биз = D 'из - АВниз, а ADHиз - величина изменения диаметра изделия, возникающая при нагреве и удлинении резца, величина D'^ - величина диаметра изделия, определенная при настройке станка. Кроме того, Vеz = ^ ""П ; обозначая = k1, получим Vеz = k1DW3.

Подставляя Dиз в полученное равенство, получим функциональную зависимость скорости резания от глубины резания:

Vez = k1 (D3 - 2-t). (2)

На основании того, что в соотношении (1) используется Vеz и cz = - 0,15, возведем обе части равенства (2) в степень -0,15 и получим

Vz ~°Д5 = (kl • (D3 - 2 • t))-0,15. (3)

На основании соотношений (1) и (3) получим вид формулы для вертикальной составляющей силы резания z:

Fz = C • t • к2 • Kp/((kl • (D3 - 2 • t))0,15, (4)

где к2 = Sbz = const, / - обозначение операции деления. Соответственно, для составляющей силы резания Fy при су = -0,3 получим

Fy = C • t • к3 • Kp/((kl • (D3 - 2 • t))0,3, (5)

где к3 = Sby = const.

Вместе с тем для составляющей силы резания Fx при сх = -0,4 формула будет иметь вид

Fx = C • t • к4 • Kp/((kl • (D3 - 2 • t))0,4, (6)

где к4 = Sbx = const.

Таким образом, при нагреве резца получена формула силы резания для всех ее составляющих в виде функции одной переменной, которой является глубина резания t, что создает все предпосылки для разработки технологами локальной подсистемы с использованием встраиваемого в СЧПУ микропроцессора для быстрого расчета силы резания. Затем по ее значению осуществляют оптимальный выбор средств охлаждения резца, отвода теплоты и.т.д.

Износ резца сопровождается укорочением резца и приводит:

a) к увеличению диаметра изделия, следовательно, к положительному приращению скорости при уменьшении силы резания;

b) к стабильному значению подачи с сохранением значения силы;

c) к уменьшению глубины резания и соответствующего уменьшения силы резания.

Символически (при S = const, n - const и а = 1) это можно записать следующими схематическими формами представления изменений переменных:

1. K^î DU3 ^ТП F*z;

2. (tа) ^t DU3 ta F*z.

Приведенный схематический анализ износа резца соответствует уменьшению его длины, величина которой вызывает повышение скорости резания, что в результате приводит к уменьшению силы резания.

В соответствии с приведенной схемой изменений выполним вывод формулы расчета вертикальной составляющей силы резания Fz для случая износа резца, и в дальнейшем используем его в качестве основы получения формул для других составляющих силы.

Из соотношения t = выводится Пиз = Пз - 2-t, но при износе резца Пиз =

П'из + AD"из, где ADHиз - величина изменения диаметра изделия, возникающая при износе резца, величина D 'из - величина диаметра изделия, определенная при настройке станка. Кроме того, Vcz = , обозначая — = к1, получим Vеz = к1 Подставляя

в полученное равенство, получим

Vz = к1- D - 2-t). (7)

На основании того, что в соотношении (1) используется Vcz и cz = -0,15, возведем обе части равенства (7) в степень -0,15 и получим

Vz -0,15 = (к1 • (D3 - 2 • t))-0,15. (8)

В результате соотношение (1) будет иметь вид

Барботько А. И., Довгаль В. М. Об одном подходе к построению интерактивной подсистемы автоматизации умственного труда технолога

при обработке металлов резанием. Часть 1

F*z = C • t • к2 • Kp/((k1 • (D3 - 2 • t))0,15, (9)

где к2 = Sbz = const, / - обозначение операции деления. По аналогии для составляющей силы резания Fy при су = -0,3 получим

F*y = C • t • к3 • Kp/((kl • (D3 - 2 • t))0,3, (10)

где к3 = Sby = const.

Вместе с тем для составляющей силы резания Fx при сх = -0,4 формула будет иметь вид

F*x = C • t • к4 • Kp/((kl • (D3 - 2 • t))0,4, (11)

где к4 = Sbx = const.

Между тем при износе резца переменная t (при а = 1) принимает приращение At, которое влечет за собой увеличение диаметра и, соответственно, увеличение скорости резания, а следовательно, к уменьшению составляющих силы резания при cx,yz < 0.

В результате анализа влияния и взаимозависимости переменных процессов резания при нагреве и износе резца и соответствующих изменений силы резания впервые осуществлена минимизация числа переменных, что позволило получить функциональные зависимости от одной переменной, которой является глубина резания. На этом основании при возникновении нагрева или износа инструмента существенно снижается сложность процесса управления, и технологу могут быть представлены все необходимые данные для принятия решений при возникновении приведенных выше коллизий в процессе резания и прогнозирования его результатов. При этом на этапе подготовки технологии резания на основе разработанной модели у технолога появляется возможность, не прибегая к экспериментальным исследованиям в ситуациях нагрева или износа инструмента, определить оптимальные параметры, обеспечивающие конечное качество изделий при высокой производительности станка и т. д.

Во второй части данной статьи будет разработана обобщенная подсистема поддержки принятия решений с дополнениями и учетом модели образовании нароста и ошибках технологов или операторов-наладчиков в виде неправильного назначения и установки в зоне резания параметров DU3; Vs; D3.

Библиографический список

Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975.

344 с.

Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов. М.: Машиностроение, 1987.

380 с.

Прорывные технологии: достижения, которые изменят жизнь, бизнес и мировую экономику [Электронный ресурс] // Центр гуманитарных технологий. 2013.05.28. URL: http://gtmarket.ru/news/2013/05/28/5962 (дата обращения: 13.03.2015).

Справочник технолога-машиностроителя: в 2 т. Т. 2 / под ред. А. Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. М.: Машиностроение,1985. 496 с.