A WAY TO FORMALLY DESIGN THE STRUCTURE OF TECHNOLOGICAL PROCESSES

Назначение технологического процесса – получить в результате изготовления заданные функциональные характеристики деталей машин, определяемые двумя факторами: физико-механическими свойствами материала (прочность, твёрдость, износостойкость коррозионная стойкость и др.); геометрическими характеристиками (точность размера, точность формы, точность относительного расположения поверхностей, шероховатость поверхностного слоя)

В статье рассматриваются вопросы формализации проектирования технологических процессов обработки деталей на металлорежущем оборудовании. Для достижения заданных геометрических свойств решаются две взаимосвязанные задачи. Одна заключается в разработке набора методов формообразования для всего множества поверхностей. Вторая касается вопроса формирования структуры технологического процесса, обеспечивающего заданные пространственные отношения, а именно, взаимное расположение рассматриваемых поверхностей

Формализация процесса проектирования технологии является одним из важнейших направлений теоретических и практических разработок, в рамках которых большую значимость представляет теория базирования, так как именно базирование влияет на погрешность взаимного расположения поверхностей при обработке в процессе изготовления детали. В нашей стране исследования в области базирования при обработке и сборке были начаты в первой половине ХХ столетия. Основные понятия, определения и положения теории базирования сформулированы в работах А. П. Соколовского, А.А. Маталина, А. И. Каширина, В.М. Кована, Б.С. Балакшина, А.Б. Яхина. Значительный вклад в развитие теории базирования, размерных цепей, способов проектирования и оптимизации проектных решений внесли отечественные ученые В.И. Аверченков, А.М. Дальский, И.М. Колесов, Б.С. Матвеев, В.В. Мордвинов, В.Г. Старостин, А. Г. Суслов, В.Д. Цветков, Ю.М. Соломенцев, Б.М. Базров и др.

Как известно, технологический процесс дискретного производства включает в себя ряд разноплановых технологических процедур, т.е. элементов, которые выполняются в определенном порядке

Целью статьи является реализация формального подхода проектирования структуры технологического процесса, поиск всех возможных вариантов установов непротиворечащих условиям существования конкретной геометрической конфигурации детали. Для исследования в качестве базы использована схема моделирования процесса обработки деталей на станках, описанная в работах

Теоретическим базисом рассматриваемого метода проектирования технологии обработки деталей является геометрия неидеальных объектов, использующая шестимерное пространство с тремя линейными и тремя угловыми координатами

Исходным постулатом в ходе моделирования процесса обработки является прямое выдерживание заданных на чертеже размерных связей, определяющих их взаимное расположение. При этом в качестве баз для получения рассматриваемой поверхности могут быть использованы реальные поверхности детали, позволяющие однозначно ориентировать формообразующие движения для её обработки. Процесс проектирования комплектов баз и последовательности их смены построен на использовании алгоритма направленного поиска реально существующих сторон детали, которые можно применить в качестве баз для ориентации детали при обработке поверхностей

В ходе проектирования технологии задано следующее условие порождения поверхности – окончательную обработку каждой из поверхностей детали достаточно выполнить только за один технологический переход. Выбор черновых баз производится исходя из следующих положений:

· количество их может быть не более трёх;

· базы должны быть непосредственно связаны размерной связью с обрабатываемыми поверхностями;

· любую черновую базу можно использовать только один раз;

· совокупности степеней свободы, фиксируемые базами, не могут повторяться.

В работе выполнено моделирование процесса обработки поверхностей для детали, показанной на рисунке 1.

Рисунок 1 - Деталь

Примечание: параллельность отверстия П1 относительно плоскости П4 не более 0,01 мм; параллельность поверхности П4 относительно поверхности П6 не более 0,01 мм; перпендикулярность поверхности П6 относительно поверхности П8 не более 0,01 мм; перпендикулярность поверхности П3 относительно поверхности П5 не более 0,01 мм; перпендикулярность поверхности П3 относительно поверхности П4 не более 0,01 мм; перпендикулярность поверхности П4 относительно поверхности П5 не более 0,01 мм

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.51.1

Геометрическая конфигурация исходной заготовки ограничена комплексом черновых поверхностей, при этом обрабатываемые поверхности отсутствуют, т.е. скрыты внутри материала детали. При проектировании технологического процесса важно таким образом расположить комплекс обрабатываемых поверхностей, чтобы в ходе обработки не осталось необработанных участков.

В рассматриваемом случае в качестве исходной заготовки используется тело в форме прямоугольного параллелепипеда, ограниченного шестью необработанными (черновыми) поверхностями. Для обеспечения связи чистового комплекса с черновым используются три черновые поверхности: Ч6, Ч7 и Ч8. Каждая из них связана размерами с поверхностями П4, П3 и П5 соответственно.

Структура геометрической конфигурации детали с введёнными черновыми поверхностями показана на рисунке 2 в виде графов размерных связей. Эта структура отображает один из многочисленных вариантов конфигурации детали, а также учитывает реально существующие размерные связи поверхностей заготовки с поверхностями детали до начала обработки. Мощность множества конфигураций (структур) определяется как сумма остовных деревьев по каждой из шести координат пространства. Число деревьев для одной координаты вычисляется по формуле А. Кэли , где n – количество вершин графа

[8]

.

Рисунок 2 - Графы размерных связей для координат e→x,e→y,e→z,∝→x,∝→y,∝→z

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.51.2

Необходимо определить какая из черновых поверхностей скольких степеней свободы будет лишать деталь при базировании. В рассматриваемом пространстве поверхность Ч7 фиксирует три степени свободы и , поверхность Ч6 две степени свободы и , поверхность Ч8 обеспечивает фиксацию одной степени свободы .

Далее представлены два варианта моделирования технологий обработки: первый с последовательным получением поверхностей, второй с параллельным.

Суть последовательной обработки в формировании структуры проектируемого технологического процесса, отражающего последовательное (друг за другом) выявление баз или комплектов баз, используемых для обработки одной (конкретной) поверхности в соответствии с требованиями чертежа

Способ моделирования строится на последовательном выявлении баз для обработки отдельных поверхностей детали. По содержанию диагональных ячеек матрицы (рис. 3) видно, что для получения поверхностей детали необходимо лишать её 3-х или 4-х степеней свободы, следовательно, не имеет смысла первыми черновыми базами назначать поверхностей П6 и П8. В качестве черновой базы выбирается поверхностьЧ7, фиксирующая деталь в трёх направлениях – . Этих связей необходимо и достаточно для «покрытия» диагональной таблицы поверхности П3. Следовательно, база Ч7 может использоваться для обработки поверхности П3.

Рисунок 3 - Первый шаг обработки матрицы смежности

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.51.3

Далее матрица в соответствии с правилами трансформируется: столбец П3 удаляется из матрицы, строка с номером П3 перемещается в верхнюю часть матрицы, и данная поверхность становится реально существующей (обработанной), строка с базой Ч7 так же удаляется, так как черновую базу можно использовать только один раз. Матрица смежности преобразовывается в вид, представленный на рисунке 4.

Рисунок 4 - Второй шаг обработки матрицы смежности

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.51.4

На следующих шагах работы с матрицей снова выявляются те столбцы, в которых логическая сумма шестиклеточных таблиц поверхностей, принятых за базы, полностью «покрывает» соответствующую диагональную шестиклеточную таблицу пока ещё необработанных поверхностей нижней части матрицы. В верхней части матрицы (рис. 4) в столбце 3 (строки 1 и 3) шестиклеточные таблицы перекрывают диагональную таблицу со степенями свободы . Это даёт возможность использовать в качестве баз реально существующие поверхности для получения поверхности П4: обработанную П3 (фиксация одной степени свободы ) и черновую поверхность Ч6 (фиксация двух степеней свободы ). Дальнейшее преобразование приводит матрицу к новому виду (рис. 5).

Рисунок 5 - Третий шаг обработки матрицы смежности

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.51.5

Последовательная проверка на третьем шаге (рис.5) показывает, что для ориентации поверхности П5 относительно формообразующих движений инструмента можно забазировать деталь используя комплект, состоящий из черновой базы Ч8, дающей фиксацию одной степени свободы –  и уже обработанных поверхностей П3 и П4, обеспечивающих фиксацию по двум степеням свободы  и соответственно.

Трансформация приводит матрицу в вид, представленный на рисунке 6.

На четвёртом шаге моделирование показывает, что цилиндрическое отверстие П2 может быть обработано при использовании комплекта баз П3, П4, П5 (рис. 6), обеспечивающего фиксацию по четырём степеням свободы – . И далее на следующем (пятом) шаге (рис. 7) обрабатывается отверстие П1. Для его ориентации базами назначаются П2, П4 и П5. Данный комплект обеспечивает необходимые четыре степени свободы .

Рисунок 6 - Четвёртый шаг обработки матрицы смежности

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.51.6

Рисунок 7 - Пятый шаг обработки матрицы смежности

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.51.7

Следующей обрабатываемой поверхностью является поверхность П6 (рис. 8), которая может быть получена при использовании базы П4. Данная базирующая поверхность позволяет зафиксировать необходимые три степени свободы: перемещение по  и повороты вокруг  и .

Рисунок 8 - Шестой шаг обработки матрицы смежности

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.51.8

После произведённых манипуляций матрица трансформируется в вид, представленный на рисунке 9.

Следующей поверхность П7 обрабатывается от базы П3 (рис. 9).

Рисунок 9 - Седьмой шаг обработки матрицы смежности

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.51.9

Дальнейший анализ показывает, что осталось провести два шага по трансформации матрицы смежности, позволяющие перевести все поверхности детали из состояния необработанных в состояние обработанных. На восьмом шаге (рис. 10) обрабатывается поверхность П8, для ориентации которой необходима фиксация по трём степеням свободы – , реализуемая комплектом баз из поверхностей П5 и П6.

Рисунок 10 - Восьмой шаг обработки матрицы смежности

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.51.10

На последнем (девятом) шаге обрабатывается поверхность П9 от комплекта баз П3 и П7 (рис. 11).

Рисунок 11 - Девятый шаг обработки матрицы смежности

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.51.11

В результате трансформации матрицы смежности выявлена последовательная обработка всех поверхностей детали. Полученный ряд последовательности смены баз показан на рисунке 12. Здесь в квадратных рамках указаны поверхности, используемые при обработке в качестве баз. Двойными рамками выделены черновые базы, в кружочках обозначены обрабатываемые поверхности. Прямые линии связывают обрабатываемую поверхность с базовой, стрелками показана последовательность шагов при моделировании процесса обработки. Как видно, полученная технология отражает последовательную обработку поверхностей со сменой баз – за один установ производится обработка одной поверхности.

Рисунок 12 - Последовательность обработки поверхностей детали

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.51.12

При реализации второго способа моделирования технологии обработки используются комплекты баз для получения нескольких поверхностей детали. При анализе матрицы смежности выделенная база или комплект баз проверяются на возможность их использования для ориентации всех возможных поверхностей детали на данном шаге.

Первый шаг анализа матрицы показывает, что база Ч7 может использоваться только для обработки поверхности П3, так как больше не выявлено столбцов, в которых логическая сумма шестиклеточных таблиц базовых поверхностей, полностью «покрывает» соответствующие диагональные шестиклеточные таблицы необработанных поверхностей. Поэтому первый шаг преобразования матрицы полностью соответствует виду, показанному на рисунке 3.

На следующем (втором) шаге обработки матрицы (рис.13) комплект базовых поверхностей Ч6 и П3 даёт необходимую ориентацию для обработки поверхностей П4 и П7. Данный комплект баз фиксирует пять степеней свободы: черновая база Ч6 две степени – , а поверхность П3 – три .

Рисунок 13 - Второй шаг обработки матрицы смежности

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.51.13

На следующем шаге (рис.14) проверка по столбцам соответствия верхней части матрицы с диагональными выявляет возможность использования комплекта баз из поверхностей Ч8, П3, П4, фиксирующих пять степеней свободы: по одной черновая база Ч8 () и поверхность П3 (), три степени – поверхность П4 () для ориентации заготовки при обработке поверхностей П5 и П6.

Рисунок 14 - Третий шаг обработки матрицы смежности

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.51.14

Дальнейшее моделирование показывает, что следующие шаги преобразования матрицы с целью выявления баз и построения последовательности обработки полностью повторяют этапы трансформации матрицы, приведенные при проектировании технологии по первому варианту (последовательная обработка).

Результат моделирования технологии с использованием обработки нескольких поверхностей за один установ представлен на рисунке 15.

Рисунок 15 - Последовательность обработки поверхностей детали

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.51.15

Как видно количество установов по первому варианту (рис. 12) больше на два, чем по второму (рис. 15), следовательно, технологический процесс с использованием комплектов баз для получения нескольких поверхностей детали более интегрированный.

В статье наглядно продемонстрирован способ формального проектирования структуры технологического процесса обработки детали резанием. Показана возможность моделирования разного состава технологий для получения геометрической конфигурации. Хотя в дальнейшем, в зависимости от условий производства можно получить и другие варианты структур технологических процессов.

Таким образом, первый и второй подход формального проектирования технологии позволяет сформировать комплекты баз для обработки поверхностей, спланировать последовательность смены баз при обработке, построить последовательность обработки. Используемая методика моделирования даёт возможность представить состав и структуру установов технологического процесса обработки детали.