Search

This paper reports a new approach to ensuring the stability of the turning process, which is based on the frequency-time characteristics of the technological machining system (TMS). The approach uses a mathematical model of the turning process as a single-mass system with one degree of freedom, taking into account negative feedback on the normal coordinate and positive feedback with a delay in cutting depth. A new criterion for the stability of the cutting process as a system with a delay in positive feedback is proposed, based on the analysis of frequency characteristics in the form of a Nyquist diagram. It is proved that such a system will be stable when the chart of its Nyquist diagram does not cover a point with coordinates [+1, 0] on the complex plane. The validity of the new criterion has been confirmed by comparing the simulation results in the time range with the location of the Nyquist diagram on the complex plane. Based on the new criterion of stability, an algorithm for automatic construction of a Stability Lobes Diagram (SLD) has been developed. The necessary a priori parameters of TMS, the ranges of frequency change, and the calculation step for constructing such a characteristic in the coordinates "cutting depth – spindle rotational speed" have been determined. The adequacy of the obtained results is confirmed by a full-scale experiment to assess the roughness of machined parts under cutting modes that fall into the area of stability and instability on the SLD chart. The full-scale experiment proved the possibility of a significant reduction in roughness according to the Rz parameter, from 43 µm to 18 µm, while increasing productivity by 1.28 times. The use of a stability lobes diagram is especially effective when programming CNC lathes where it is possible to select the spindle speed in a wide range., Представлено новий підхід до забезпечення сталості процесу токарної обробки, який базується на частотно-часових характеристиках технологічної обробної системи (ТОС). Підхід використовує математичну модель процесу точіння як одномасової системи з одним ступенем свободи з урахуванням негативного зворотного зв'язку за нормальною координатою та позитивного зворотного зв'язку із запізненням за глибиною різання. Запропоновано новий критерій сталості процесу різання як системи із запізненням у позитивному зворотному зв'язку, що ґрунтується на аналізі частотних характеристик у вигляді діаграми Найквіста. Доведено, що така система буде сталою, коли графік її діаграми Найквіста не охоплює точку з координатами [+1, 0] на комплексній площині. Справедливість нового критерію підтверджено зіставленням результатів моделювання у часовому діапазоні з розташуванням діаграми Найквіста на комплексній площині. На основі нового критерію сталості складено алгоритм автоматичної побудови діаграми сталості (Stability Lobes Diagram – SLD). Визначено необхідні апріорні параметри ТОС, діапазони зміни частот та кроку розрахунку для побудови такої характеристики в координатах «глибина різання – частота обертання шпинделя». Адекватність отриманих результатів підтверджується натурним експериментом з оцінки шорсткості оброблених деталей при режимах різання, що потрапляють у область сталості та несталості на графіку SLD. Проведений натурний експеримент довів можливість суттєвого зниження шорсткості за параметром Rz з 43мкм до 18мкм при одночасному підвищенні продуктивності в 1,28 рази. Використання діаграми сталості особливо ефективно при програмуванні токарних верстатів з ЧПК, де є можливість вибору частоти обертання шпинделя в широкому діапазоні

Пояснювальна записка дипломного проекту бакалавра на тему «Технологічне підготовлення виробництва виготовлення деталі “Гільза”» складається з 68 аркушів формату А4, у яких наведено технологічний процес обробки деталі (з ескізами переходів обробки), статистичний аналіз практичного дослідження, технічні характеристики використаного обладнання, акт впровадження. При написанні роботи використано 17 літературних джерел. Графічна частина складається з 6 аркушів А1: Графічне представлення результатів статистичного аналізу точності; 3-D моделі та креслення, деталі та заготовки; графічне зображення технологічних переходів; складальні креслення верстатних пристроїв. Перший розділ містить розрахунки та результати статистичного аналізу точності оброблення зовнішньої циліндричної поверхні деталі «Поршень», виконаного в умовах реального виробництва. Другий розділ складається з технологічної частини в якій представлено розроблений технологічний процес виготовлення деталі, у тому числі, обґрунтування вибору схем базування, методу отримання заготовки, вибору обладнання та інструменту та інші питання. Третій розділ – конструкторський, в якому представлені розроблення і розрахунок конструкції верстатних пристроїв.

Проблематика. Розглянуто питання технологічного забезпечення необхідної циклічної довговічності матеріалу деталі завдяки створенню математичної моделі процесу фінішного токарного оброблення, що включає як цільову функцію максимальну продуктивність процесу та множину обмежень по подачі і швидкості різання, допустимим силі та потужності різання, точності оброблення, стійкості інструмента, шорсткості обробленої поверхні, а також по циклічній довговічності деталі та оптимізації режиму різання. Мета дослідження. Метою роботи є технологічне забезпечення необхідної циклічної довговічності деталі завдяки визначенню раціональних режимів токарного оброблення з урахуванням властивостей оброблюваного матеріалу та розробка відповідних методичних рекомендацій. Методика реалізації. Поставлена мета дослідження досягається за рахунок створення математичної моделі процесу фінішного токарного оброблення, визначення коефіцієнтів узагальнених характеристик матеріалів класифікаційної групи з урахуванням властивостей оброблюваного матеріалу, подальшої оптимізації моделі методом ковзного допуску та визначення раціональних режимів оброблення. Результати дослідження. Створено математичну модель фінішного токарного оброблення, що враховує характеристики оброблюваного матеріалу та властивості технологічної оброблюваної системи. Розраховано від­носні коефіцієнти узагальнених характеристик матеріалів групи конструкційних легованих хромистих сталей. Запропоновано метод багатовимірної оптимізації розробленої математичної моделі. Висновки. Запропонована методика технологічного забезпечення циклічної довговічності матеріалу деталі на основі математичної моделі процесу фінішного токарного оброблення, що включає як цільову функцію максимальну продуктивність процесу та множину обмежень, дає змогу за вибраним методом нелінійної оптимізації визначити раціональний режим фінішного токарного оброблення. Background. The issue of technological support of the required part’s material fatigue life by creating a mathematical model of the finishing turning process is considered. This model includes, as a target function, the maximum process productivity and the set of feed constraints and cutting speeds, permissible force and cutting power, machining precision, tool stability, surface roughness, part fatigue life, and cutting condition optimization. Objective. The aim of the paper is to provide technological support for the required part fatigue life by determining the rational cutting conditions, taking into account the properties of the processed material, and to develop appropriate methodological recommendations. Methods. The objective of the research is achieved by creating a mathematical model of the finishing turning process, determining the coefficients of the generalized materials’ characteristics of the classification group taking into account the properties of the processed material, further model optimization by the method of sliding admission and the definition of rational cutting conditions. Results. The mathematical model of the finishing turning process, which takes into account the characteristics of the processed material and the properties of the technological processable system, was created. Relative coefficients of the materials’ generalized characteristics of the structural alloyed chromium steels group are calculated. A multivariate optimization method of the developed mathematical model is proposed. Conclusions. The proposed methodological recommendation of technological support of a part’s material fatigue life based on a mathematical model of the finishing turning process, which includes the maximum process productivity and set of restrictions as the target function, which allows determining the rational cutting condition by the chosen method of nonlinear optimization. Проблематика. Рассмотрены вопросы технологического обеспечения необходимой циклической долговечности материала детали путем создания математической модели процесса финишной токарной обработки, включающей в качестве целевой функции максимальную производительность процесса и систему ограничений по подаче и скорости резания, допустимым силе и мощности резания, точности обработки, устойчивости инструмента, шероховатости обработанной поверхности, а также по циклической долговечности детали и оптимизации режима резания. Цель исследования. Целью работы является технологическое обеспечение необходимой циклической долговечности детали путем определения рациональных режимов токарной обработки с учетом свойств обрабатываемого материала и разработка соответствующих методических рекомендаций. Методика реализации. Поставленная цель исследования достигается за счет создания математической модели процесса финишной токарной обработки, определения коэффициентов обобщенных характеристик материалов классификационной группы с учетом свойств обрабатываемого материала, дальнейшей оптимизации модели методом скользящего допуска и определения рациональных режимов обработки. Результаты исследования. Создана математическая модель финишной токарной обработки, учитывающая характеристики обрабатываемого материала и свойства технологической обрабатываемой системы. Рассчитаны относительные коэф­фициенты обобщенных характеристик материалов группы конструкционных легированных хромистых сталей. Предложен метод многомерной оптимизации разработанной математической модели. Выводы. Предложенная методика технологического обеспечения циклической долговечности материала детали на основе математической модели процесса финишной токарной обработки, включающей в качестве целевой функции максимальную производительность процесса и систему ограничений, позволяет по выбранному методу нелинейной оптимизации определить рациональный режим финишной токарной обработки.

Дисертація присвячена питанням технологічного забезпечення необхідної циклічної довговічності матеріалу деталей, що працюють в умовах циклічних навантажень шляхом оптимізації режимів токарного оброблення. Представлено аналіз впливу якості поверхневого шару деталей, що працюють під дією циклічних навантажень, на їх втомні характеристики. Проведено втомні експериментальні дослідження, за результатами яких створено математичну модель циклічної довговічності матеріалу деталі від режимів токарного оброблення та напруження циклу. Розроблено математичну модель процесу токарного оброблення деталей, що працюють в умовах циклічно змінних навантажень. Представлена задача оптимізації, розв’язок якої виконували за допомогою використання методу ковзаючого допуску. Розроблено методичні рекомендації з визначення раціональних режимів фінішного токарного оброблення деталей з метою технологічного забезпечення необхідних значень циклічної довговічності деталей при максимальній продуктивності їх токарного оброблення з урахуванням реальних умов експлуатації. Основні результати дисертаційних досліджень апробовані на ПАТ «Науково-виробниче об’єднання «Київський завод автоматики» (м. Київ). The dissertation is devoted to questions of technological assurance of fatigue life of the material of parts working in conditions of cyclic loads by optimization of their cutting parameters. The analysis of the influence of the surface layer of the parts operating under the influence of cyclic loads on their fatigue characteristics is presented. An overview of the methods for determining fatigue life, which showed limited information about the mathematical dependences of fatigue life of the part’s material from the technological conditions of its production, is complete. In carrying out dissertation researches the steel 40Х ГОСТ 4543-71 was chosen as a processed material. Parts that operate under vibration and dynamic loads, to which requirements of increased durability, viscosity and durability are imposed, are usually made from this material. An experimental study of the surface layer’s parameters of the samples as roughness, microhardness and microstructure was carried out. The results allowed to establish that each of these parameters is sensitive to cutting parameters, which in the future affect on the fatigue life of parts under operating variable loads conditions. The mathematical dependences Rmax , Sm and uH from the turning cutting condition were obtained in order to determine the complex influence of the surface layer quality of the samples on their fatigue strength after turning by processing the results of roughness and microhardness studies. These mathematical dependences have allowed us to create a complex index of the surface layer’s state of the samples PS,V , which increases with increasing feed rate and cutting speed on the studied range. This allows us to make an assumption about the corresponding increase of fatigue life. In order to study the influence of the technological conditions of the turning process on the change of the fatigue characteristics of the part’s material, samples of a round section of type I (GOST 25.502-79) were used. The turning process was performed on a turning center HAAS ST20 with a cutting tool PVVNN 2525M-16Q with a cutting plate VBGW 160404T00815SE without cooling in the range of cutting speeds from 80 to 180 m/min. and feeds – from 0.08 to 0.12 mm/rev at a cutting depth of 0.3 mm. Fatigue tests were being carried on the base of N = 2•107 cycles at a temperature of 20 ° C with a rotational frequency of 2000 rpm. on the test machine МУИ-6000. In this case, the load diagram pure bend in rotation of the sample according to GOS T 25.502-79 was used. The mathematical dependence of the fatigue life of the 40X steel part from cutting conditions and cycle stress was developed on the results of experimental studies on fatigue and it’s processing. Analysis of this dependence showed that the fatigue life of turning finished specimens from steel 40X for feed rate values from 0.08 to 0.12 mm/rev, cutting speed from 80 to 180 m/min and the depth of cutting 0.3 mm increases with increasing both feed rate and cutting speed. In this case, the effect of feed rate is more significant. In this case, influence of the feed rate is more significant. This corresponds to the obtained mathematical model of the complex index of the part’s surface layer and allows confirming the reliability of the fatigue life mathematical model for the 40X steel part. The productivity of the finishing turning process was used as an optimality criterion in solving the task of technological support fatigue life of parts. The determination of rational values of cutting speed and feed rate was carried out from the range of acceptable solutions. This range is defined by a plurality of constraints on the turning process, and also includes an operating limitation on the number of cycles before fatigue failure of the part. Thus, a turning process mathematical model of the 40X steel parts was created. To extend the using range of the mathematical model of fatigue life on the parts, which are made from structural materials of alloyed chromium steels group, which includes steel 40X, the method of taking into account the characteristics of any material of this group is used to obtain the appropriate mathematical model of fatigue life. This allows obtaining appropriate mathematical models for any material based on the mathematical model of fatigue life for one material of the classification group without carrying out additional, long-term and expensive experimental studies. In order to solve the task of optimizing the parts cutting conditions, the corresponding software was developed in the C # programming language. The finite-element analysis in the framework of the software complex FEMAP 10.2.0 was carried out to determine the maximum stresses in the material of the component under conditions of its operation. With the purpose of technological providing the necessary fatigue life of the part, taking into account the real conditions of its operation for the maximum productivity of the finishing turning process, the methodical recommendations for determining the rational parts cutting conditions at the phase of technological preparation of production are given. As an example of using the proposed methodical recommendations, the task of the technological support of fatigue life of the "Swing mechanism shaft" part (steel 40Х GOST 4543-71), which operates under cyclic loading conditions, was solved. The main results of the dissertation researches are tested on the example of parts, which are manufactured at PJSC "RPA "Kyiv Automatics Plant", Kyiv. Диссертация посвящена вопросам технологического обеспечения необходимой циклической долговечности материала деталей, работающих в условиях циклических нагрузок путем оптимизации режимов токарной обработки. Представлен анализ влияния качества поверхностного слоя деталей, работающих под действием циклических нагрузок, на их усталостные характеристики. Проведены усталостные экспериментальные исследования, по результатам которых создана математическая модель циклической долговечности материала детали от режимов токарной обработки и напряжения цикла. Разработана математическая модель процесса токарной обработки деталей, работающих в условиях циклически переменных нагрузок. Представленная задача оптимизации, решение которой выполняли с помощью использования метода скользящего допуска. Разработаны методические рекомендации по определению рациональных режимов финишной токарной обработки деталей с целью технологического обеспечения требуемых значений циклической долговечности деталей при максимальной производительности их токарной обработки с учетом реальных условий эксплуатации. Основные результаты диссертационных исследований апробированы на ОАО «Научно- производственное объединение «Киевский завод автоматики» (г. Киев).

The article is based on practical requirements from the reason of unequally removed material during the turning of the wood plastic composite (WPC). This results in geometrical deviations of the WPC bar diameter. WPC represents a relatively new group of materials that has been at the market for almost 30 years. In 1983 Lear Corporation in Wisconsine, USA made for the first time the interior panels of cars from composite materials – PP matrix with organic filler – 50 % wood flour. WPCs displace traditional materials such as wood, steel and cement materials in the marina industry. Designers are not limited technology of production from construction aspect, because different shapes and profiles can be produced by injection (resp. process of extrusion), but in the process of machining were monitored problems with tolerances. Mixed colors can be achieved by using of different pigments and one feels that this is real wood. Technologists begin to use convention technologies – drilling, milling and turning, as tendency of application of WPC increased. Knowledges about machining of WPC are not elaborate as deep as machining of metals or plastics. And this is a reason for orientation in this direction too. Commercial wood plastic composite MEGAWOOD (70 % wood flour, 30 % HDPE) was a sample material in current investigation of roundness after turning of WPC. HSS EN ISO HS6-5-2 cutting tool was used. The geometry of the cutting tool was γ0 = 20°, α0 = 8°, κr = 45°, rε = 0,5 mm, εr = 90°. Cutting conditions during turning were as follows: cutting speed n = 900 m/min (constant), feed f = 0,1 to 0,61 mm), depth of cut ap = 0,5 mm for turning of final diameter d = 36 mm. It was dry turning. Roundness/ cylindricity measuring system RA – 120 was used for measuring of roundness deviation. It was found that the roundness deviation increases with feed increasing. Popped heat was not used during the turning to final diameter – 36 mm. Using of popped heat results in decreasing of roundness deviation. Waviness was not possible to measure within the range of ±1 000 μm on the sample No. 4 (f = 0,41 mm) and sample No. 5 (f = 0,6 mm). Tip of the measuring systems could not filtrate parameter of roughness (surface after turning – low value of tool nose radius rε = 0,5 mm and high feed caused distinctive toolmark). Inaccuracy of macrogeometry (including roundness) could have caused state of machine, tool and fixture too. Статья основана на практических требованиях по причине неодинаково удаленного материала в процессе механической обработки древесно-пластикового композита, в результате чего они получили геометрические отклонения диаметра. Древесно-пластиковый композит представляют собой относительно новую группу материалов, появившихся на рынке в течение последних 30 лет. В 1983 году компания Lear Corporation в штате Висконсин, США, впервые изготовила внутренние панели автомобилей из композитных материалов – PP-матрицы с органическим наполнителем – 50 % древесной муки. Древесно-пластиковые композиты вытесняют традиционные материалы, такие как дерево, сталь и цементные материалы в морской промышленности. Проектировщики не ограничиваются технологией производства из строительного аспекта, так как различные формы и профили могут быть изготовлены методом инжекции (процесс экструзии), но в процессе обработки контролировались проблемы с допусками. Смешанные цвета могут быть достигнуты путем использования различных пигментов, что обеспечивает ощущение натурального дерева. Технологи начинают использовать известные технологии – сверление, фрезерование, токарную обработку, потому что увеличилась тенденция применения древесно-пластиковых композитов. Знания о древесно-пластиковых композитах не так фундаментальны, как знания о процессе резания металлов (или пластмасс). И это определяет актуальность направления исследования. Для исследования круглости после обработки древесно-пластиковых композитов использовался коммерческий материал MEGAWOOD (70 % древесной муки, 30 % HDPE). В процессе резания ис- пользовали инструмент из быстрорежущей стали: EN ISO HS6-5-2, геометрия режущего инструмента: γ0 = 20°, α0 = 8°, κr = 45°, rε = 0,5 мм, εr = 90°. Условия резания при точении: скорость вращения n = 900 м/мин (постоянная), подача f = 0,1 до 0,61 мм), глубина резания ар = 0,5 мм (для точения до диаметра d = 36 мм). Режущий среда – без охлаждения. Roundness/Cylindricity Measuring System RA-120 использовали для измерения отклонения от круглости. Отклонение от круглости возрастает с увеличением подачи. Волнистость не удалось измерить в диапазоне ±1 000 мкм на образце № 4 (f = 0,41 мм) и образце № 5 (f = 0,6 мм). Измерительная система не может идентифицировать пара- метр шероховатости (поверхность после обработки точением – низкое значение радиуса режущей кромки резца rε = 0,5 мм и высокая подача вызвали отличительные следы резца на обрабатываемой поверхности). Неточность макрогеометрии (включая круглость) могли вызвать состояния станка, режущего инструмента и приспособления. Стаття ґрунтується на практичних вимогах щодо неоднаково видаленого матеріалу в процесі механічного оброблення деревно-пластикового композита, в результаті цього одержали геометричні відхилення діаметра. Деревно-пластиковий композит являє собою відносно нову групу матеріалів, що з’явилися на ринку за останні 30 років. У 1983 році компанія Lear Corporation у штаті Вісконсин, США, вперше виготовила внутрішні панелі автомобілів із композитних матеріалів – РР-матриці з органічним наповнювачем – 50 % деревного борошна. Деревно-пластикові композити витісняють традиційні матеріали, такі як дерево, сталь і цементні матеріали в морській промисловості. Проектувальники не обмежуються технологією виготовлення з будівельного аспекту, оскільки різні форми та профілі можуть бути виготовлені методом інжекції (процес екструзії), але у процесі оброблення контролювалися проблеми з допусками. Змішані кольори можуть бути досягнені шляхом використання різних пігментів, що забезпечує відчуття натуральної деревини. Технологи починають використовувати відомі технології – свердління, фрезерування, токарне оброблення, оскільки збільшилася тенденція застосування деревно-пластикових композитів. Знання про деревно-пластикові композити не такі фундаментальні, як знання про процес різання металів (або пластмас). І це визначає актуальність напрямку дослідження. Для дослідження круглості після оброблення деревно-пластикових композитів використовувався комерційний матеріал MEGAWOOD (70 % деревного борошна, 30 % HDPE). У процесі різання застосовували інструмент із швидкорізальної сталі: EN ISO HS6-5-2, геометрія різального інструменту: γ0 = 20°, α0 = 8°, κr = 45°, rε = 0,5 мм, εr = 90°. Умови різання при точінні: швидкість різання n = 900 м/хв (постійна), подача f = 0,1 до 0,61 мм, глибина різання ар = 0,5 мм (для точіння до діаметра d = 36 мм). Різання без охолодження. Roundness/Cylindricity Measuring System RA-120 використовували для вимірювання відхилення від круглості. Відхилення від круглості збільшується зі збільшенням подачі. Хвилястість не вдалося виміряти у діапазоні ±1 000 мкм на зразку № 4 (f = 0,41 мм) та зразку № 5 (f = 0,6 мм). Вимірювальна система не може ідентифікувати параметр шорсткості (поверхня після оброблення точінням – низьке значення радіуса різальної кромки різця rε = 0,5 мм і висока подача викликали істотні сліди різця на оброблюваній поверхні). Неточність мікрогеометрії (включаючи круглість) могло спричинити стани верстата, різального інструмента та верстатних пристроїв.