Синергетическая концепция при программном управлении процессами обработки на металлорежущих станках

Металлорежущие станки с высокой точностью обеспечивают соответствие программируемых траекторий исполнительных элементов станка реальным. Для станков токарной группы — это траектории продольного и поперечного суппортов системы, а также шпинделя. Целью обработки является изготовление деталей заданного качества при минимизации приведенных затрат на производство. На показатели качества деталей и эффективность резания, зависящую от интенсивности изнашивания инструмента, влияет состояние динамической системы резания, определяемое траекториями сил и деформаций. Свойства системы изменяются в зависимости от фазовой траектории мощности необратимых преобразований подводимой к зоне резания энергии по произведенной работе. Их изменения, связанные с эволюцией параметров динамической связи, формируемой резанием, проявляются в развитии износа инструмента и изменении показателей качества детали. Таким образом, мощность необратимых преобразований энергии является одним из внутренних факторов, вызывающих изменение выходных характеристик обработки и состояния процесса. В связи с этим при обработке на станках имеет место проблема синергетического согласования внешнего управления (например, программы ЧПУ) с внутренним, источником которого служат необратимые преобразования подводимой к зоне резания энергии. Рассмотрена проблема синергетического согласования внешнего и внутреннего управлений при резании, решение которой позволит повысить эффективность обработки на станках с ЧПУ. Предложены математическая модель управляемой динамической системы резания и алгоритмы управления для повышения эффективности процесса обработки детали заданного качества с минимизацией интенсивности изнашивания инструмента. Апробация разработанных алгоритмов показала, что их использование позволяет снизить стоимость изготовления детали в 1,2 раза.

Литература

[1] Haken H. Information and Self-Organization. A Macroscopic Approach to Complex Systems. American Journal of Physics, 2006, vol. 57(10), p. 262, doi: 10.1119/1.15809

[2] Prigogine I., George C. The Second Law as a Selection Principle: The Microscopic Theory of Dissipative Processes in Quantum Systems. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1983, vol. 8, pp. 4590–4594.

[3] Заковоротный В.Л., Флек М.Б., Угнич Е.А. Модель управления современным предприятием на основе системно-синергетического подхода. Экономическая наука современной России, 2016, № 4(75), c. 112–128.

[4] Колесников А.А. Прикладная синергетика: основы системного синтеза. Ростов-на-Дону, Изд-во ЮФУ, 2007. 384 с.

[5] Заковоротный В.Л., Шаповалов В.В. Динамика транспортных трибосистем. Сборка в машиностроении, приборостроении, 2005, № 12, с. 19–24.

[6] Заковоротный В.Л., Флек М.Б. Динамика процесса резания. Синергетический подход. Ростов-на-Дону, Терра, 2006. 880 с.

[7] Рыжкин А.А. Синергетика изнашивания инструментальных материалов при лезвийной обработке. Ростов-на-Дону, ДГТУ, 2019. 289 с.

[8] Старков В.К. Физика и оптимизация резания материалов. Москва, Машиностроение, 2009. 640 с.

[9] Мигранов М.Ш. Исследования изнашивания инструментальных материалов и покрытий с позиций термодинамики и самоорганизации. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2006, № 11, с. 65–71.

[10] Каримов И.Г. Влияние температуры резания на энергетические параметры контакта инструмента с деталью. Вестник УГАТУ, 2012, т. 16, № 4(49), с. 85–89. URL: http://journal.ugatu.ac.ru/index.php/Vestnik/article/view/685 (дата обращения 16 ноября 2020).

[11] Gomez-Solano J.R. Non-equilibrium work distribution for interacting colloidal particles under friction. New Journal of Physics, 2015, no. 045026, pp. 1–13, doi: 10.1088/1367-2630/17/4/045026

[12] Banjac M., Vencl A., Otovic S. Friction and Wear Processes – Thermodynamic Approach. Tribology in Industry, 2014, vol. 36, no. 4, pp. 341–347.

[13] Abdel-Aal H.A. Thermodynamic modeling of wear. Encyclopedia of Tribology, 2013, pp. 3622–3636, doi: https://doi.org/10.1007/978-0-387-92897-5_1313

[14] Duyun T.A., Grinek A.V., Rybak L.A. Methodology of manufacturing process design, providing quality parameters and minimal costs. World Applied Sciences Journal, 2014, no. 30(8), pp. 958–963, doi: 10.5829/idosi.wasj.2014.30.08.14120

[15] Mukherjee I., Ray P.K. A review of optimization techniques in metal cutting processes. Computers and Industrial Engineering, 2006, vol. 50, no. 1, pp. 15–34, doi: 10.1016/j.cie.2005.10.001

[16] Козочкин М.П., Федоров С.В., Терешин М.В. Способ определения оптимальной скорости резания в процессе металлообработки. Патент РФ № RU2538750С2, 2015. 9 с.

[17] Зориктуев В.Ц. Автоматизация процессов на основе положения об оптимальной температуре резания. Вестник УГАТУ, 2009, т. 12, № 4, с. 14–19. URL: http://journal.ugatu.ac.ru/index.php/Vestnik/article/view/1081 (дата обращения 15 октября 2020).

[18] Begic-Hajdarevic D., Cekic A., Kulenovic M. Experimental study on the high speed machining of hardened steel. Procedia Engineering, 2014, vol. 69, pp. 291–295, doi: 10.1016/j.proeng.2014.02.234

[19] Blau P., Busch K., Dix M., Hochmuth C., Stoll A., Wertheim R. Flushing strategies for high performance, efficient and environmentally friendly cutting. Procedia CIRP, 2015, vol. 26, pp. 361–366, doi: 10.1016/j.procir.2014.07.058

[20] Chin C.H., Wang Y.-C., Lee B.-Y. The effect of surface roughness of end-mills on optimal cutting performance for high-speed machining. Journal of Mechanical Engineering, 2013, no. 59(2), pp. 124–134, doi: 10.5545/sv-jme.2012.677

[21] Kant G., Sangwan K.S. Prediction and optimization of machining parameters for minimization power consumption and surface roughness in machining. Journal of Cleaner Production, 2014, no. 83, pp. 151–164, doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.jclepro.2014.07.073

[22] Кудинов В.А. Динамика станков. Москва, Машиностроение, 1967. 359 с.

[23] Воронов С.А., Киселев И.А. Нелинейные задачи динамики процессов резания. Машиностроение и инженерное образование, 2017, № 2(51), с. 9–23.

[24] Gouskov A.M., Voronov S.A., Paris H., Batzer S.A. Nonlinear dynamics of a machining system with two interdependent delays. Communications in nonlinear science and numerical simulation, 2002, vol. 7, pp. 207–221, doi: 10.1016/S1007-5704(02)00014-X

[25] Kao Y.-C., Nguyen N.-T., Chen M.-S., Su S.T. A prediction method of cutting force coefficients with helix angle of flat-end cutter and its application in a virtual three-axis milling simulation system. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015, vol. 77, iss. 9–12, рp. 1793–1809, doi: 10.1016/S1007-5704(02)00014-X

[26] Stepan G., Insperge T., Szalai R. Delay, Parametric excitation, and the nonlinear dynamics of cutting processes. International Journal of Bifurcation and Chaos, 2005, vol. 15, no. 9, рp. 2783–2798.

[27] Corpus W.T., Endres W.J. Added stability lobes in machining processes that exhibit periodic time variation, Part 1: An analytical Solution. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2004, vol. 126, no. 3, pp. 467–474, doi: https://doi.org/10.1115/1.1765137

[28] Peigne G., Paris H., Brissaud D., Gouskov A. Impact of the cutting dynamics of small radial immersion milling operations on machined surface roughness. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2004, vol. 44, iss. 11, pp. 1133–1142, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2004.04.012

[29] Hasnul H., Tajul L., Zailani Z.A., Hamzas M.F.M.A., Hussin M.S. The Parametric Effect and Optimization on JIS S45C Steel Turning. International Journal of Engineering Science and Technology, 2011, vol. 3, no. 5, pp. 479–487.

[30] Rusinek R., Wiercigroch M., Wahi P. Influence of tool flank forces on complex dynamics of a cutting process. International Journal of Bifurcation and Chaos, 2014, vol. 24(9), pp. 189–201, doi: 10.1142/S0218127414501156

[31] Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Связь самоорганизации динамической системы резания с изнашиванием инструмента. Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика, 2020, т. 28, № 1, c. 46–61, doi: 10.18500/0869-6632-2020-28-1-46-61

[32] Заковоротный В.Л., Фам Д.Т., Нгуен С.Т. Математическое моделирование и параметрическая идентификация динамических свойств подсистем инструмента и заготовки при точении. Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки, 2011, № 2(160), c. 38–46.

[33] Rusinek R., Wiercigroch M., Wahi P. Modeling of frictional chatter in metal cutting. International Journal of Mechanical Sciences, 2014, vol. 89, pp. 167–176, doi: 10.1016/j.ijmecsci.2014.08.020

[34] Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Бифуркации притягивающих множеств деформационных смещений режущего инструмента в ходе эволюции свойств процесса обработки. Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика, 2018, т. 26, № 5, c. 20–38, doi: 10.18500/0869-6632-2018-26-5-20-38

[35] Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Влияние кинематических возмущений в направлении продольной подачи на траектории формообразующих движений. Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки, 2016, № 4(192), c. 67–76, doi: 10.17213/0321-2653-2016-4-67-76

[36] Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Влияние погрешности движения исполнительных элементов токарного станка н траектории формообразующих движений. Вестник Донского государственного технического университета, 2017, т. 17, № 1(88), c. 35–46, doi: 10.23947/1992-5980-2017-17-1-35-46