аспирант с 01.01.2023 по настоящее время
Россия
сотрудник
Россия
УДК 621.91.01 Теория и основы обработки резанием (снятием стружки), обрабатываемость, влияющие факторы и т.д.
Развитие информационных технологий затрагивает все сферы жизнедеятельности человека, в том числе и машиностроение, которое, по мере внедрения различных информационных систем все чаще называют цифровым машиностроением. Однако многие задачи, выполняемые инженерами-технологами, все еще приходится решать вручную. В свою очередь, развитие машиностроения требует от инженеров-технологов быстрой и качественной разработки технологических процессов. С учетом развития и информационных технологий, возникает потребность в быстром поиске информации и выполнении расчетов, необходимых для составления технологического процесса. Существует множество программ, упрощающих работу технологов, такие как: Вертикаль, Компас-3D, Technologics, AutoCAD, однако иногда их бывает недостаточно. Это связано в первую очередь с уменьшением размеров деталей, увеличением сложности их изготовления и возрастающих требований к качеству выпускаемой продукции, что непосредственно влияет на сроки изготовления деталей и их стоимость. Совокупность всех перечисленных факторов требует развития уже существующего и создания нового инженерного программного обеспечения. Представленная в этой статье система расчета припуска предназначена для решения одной из задач технологов – определения припуска на механическую обработку деталей.
алгоритм, допуск, межоперационные размеры, припуск на механическую обработку деталей, программа
Введение. Перед современным машиностроением стоят цели по автоматизации технологических процессов и оптимизации экономических затрат на производство. Особенно это актуально при увеличении планов выпуска продукции на имеющемся на производстве оборудовании без увеличения производственных мощностей. Достичь обозначенных целей можно, решив инженерные задачи, касающиеся разработки технологических процессов, в частности – автоматизировать процесс расчета припуска на механическую обработку деталей.
Изготовление деталей из различных металлов подразумевает механическую обработку – токарную, фрезерную или иную другую. Во время обработки заготовки, с нее снимают припуск – слой материала, который необходимо удалить, чтобы получить деталь с заданными конструкторской документацией геометрическими параметрами, размерами и шероховатостью поверхности. Расчет припуска является одной из задач инженера-технолога, решение которой влияет на длительность обработки детали, качество выпускаемой продукции и ее стоимость. Большая величина припуска приводит к увеличению времени обработки детали, и, соответственно, к удорожанию продукции. Недостаточная толщина припуска может не обеспечить требуемое качество поверхности (шероховатость) или требуемую величину размеров, что приводит к браку.
Существует два метода определения припуска – аналитический и справочный. Первый метод подразумевает расчет по формулам, с поиском необходимых коэффициентов в справочной литературе. Этот метод более точный, но требует больших затрат времени. Второй метод подразумевает использование уже рассчитанных параметров из справочников, что сокращает время, но ведет к повышенному расходу материала, так как эти параметры подходят не для всех деталей и поэтому завышены с целью избежать возникновения брака. Таким образом, оба метода имеют свои недостатки, которые в итоге отражаются на времени изготовления детали, и, соответственно, ее стоимости.
Учитывая все вышесказанное, и тот факт, что одним из методов автоматизации процессов является разработка и внедрение в производство информационных систем [1–3], а также оценив задачу автоматизации расчета припуска на механическую обработку деталей как актуальную, стало очевидно, что решение данной задачи заключалось в разработке программы для ЭВМ. Разумеется, разработанная программа должна была бы совмещать преимущества обоих методов определения припуска: использовала бы формулы для расчета, и подбирала бы коэффициенты для них на основе справочной литературы, при этом необходимо было устранить недостатки указанных методов.
Основная часть. Теоретические аспекты во многом были разработаны и представлены в книгах [4–7] и статье [8]. Исходные данные для расчета припуска обычно изложены в чертеже детали – это все размеры, шероховатость и материал. С учетом этих данных технолог подбирает необходимое количество операций и назначает межоперационные размеры и допуски к ним. Для проверки правильности подобранных операций и размеров рассчитывается коэффициент уточнения – εi:
(1)
где Ti-1 – поле допуска размера, полученного на предыдущей операции (или заготовки), Ti – поле допуска размера, получаемого на выполняемой операции. Коэффициент уточнения рассчитывается для всех операций, на которых обрабатывается один конкретный размер. После нахождения коэффициентов уточнения, вычисляется общее уточнение:
(2)
где ε1, ε2, ε3, εn – коэффициенты уточнения для 1-й, 2-й, 3-й операции до конечной операции.
После этого рассчитывается требуемое уточнение:
(3)
где Тз – поле допуска на размер заготовки, Тд – поле допуска на размер детали, для которого рассчитывается припуск.
Сравнив требуемое уточнение с общим уточнением можно определить правильность выбранных операций. Если εобщ ≥ εто, то операции и допуски подобраны правильно, однако идеальным является вариант, когда коэффициенты равны, так как завышение εобщ хоть и гарантирует получение детали с соблюдением требований чертежа, но ведет к увеличению времени изготовления детали. Если εобщ < εто, то операции подобраны неверно и необходимо заново выполнить подбор допусков на межоперационные размеры, или увеличить количество операций для обработки размера. При составлении технологического процесса следует учитывать возможность обработки нескольких разных поверхностей в одной операции с применением многокоординатных станков с ЧПУ. Однако, чем больше на чертеже детали поверхностей и размеров, тем больше требуется времени на подбор операций, проверку правильности подбора, и, конечно, на расчет припуска. Кроме того, возрастает риск ошибки, которая приведет к браку.
Значительное снижение времени на выполнение расчетов и существенное снижение вероятности ошибки также подчеркивают полезность разработанной программы.
Для представления взаимосвязи размеров детали, заготовки и межоперационных, составлена схема, изображенная на рисунке 1.
Рис. 1. Расположение допусков, припусков и межоперационных размеров
На рисунке 1 представлены следующие обозначения: Dшлиф – диаметр детали после шлифовки, Dток – диаметр детали после токарной обработки, Dзаготовки – диаметр заготовки, Тшлиф – поле допуска на размер детали, получаемый на шлифовальной операции, Тток - поле допуска на размер детали, получаемый на токарной операции, Тзаг – поле допуска размера заготовки, EI – нижнее предельное отклонение заготовки, ES – верхнее предельное отклонение заготовки, 
– минимальный припуск на шлифовальную операцию, 
– номинальный припуск на шлифовальную операцию, 
– максимальный припуск на шлифовальную операцию, 
– минимальный припуск на токарную операцию, 
– номинальный припуск на шлифовальную операцию, 
– максимальный припуск на шлифовальную операцию.
Для расчета припуска используются следующие формулы:
(4)
(5)
(6)
где Zimin – минимальный припуск для выполняемой операции, Zi –номинальный припуск для выполняемой операции, Zimax – максимальный припуск для выполняемой операции, Rzi-1 – шероховатость, полученная на предшествующей операции или заготовки, hi-1 – глубина дефектного слоя, ∆i-1 – суммарное отклонение расположения поверхностей, εi – погрешность закрепления заготовки, eiDi-1 – нижнее предельное отклонение размера, полученного на предыдущей операции, esDi – верхнее предельное отклонение размера, получаемого на выполняемой операции, ITDi-1 – поле допуска размера, полученного на предыдущей операции, ITDi – поле допуска размера, получаемого на выполняемой операции.
Формулы (4), (5), (6) можно использовать для любых расчетов, но для более точных расчетов используются отдельные формулы [4, 7]. Представленные выше формулы использовались для написания кода программы.
Для реализации поставленной цели на практике требовалось решить несколько задач:
- Используя теоретическую базу, разработать алгоритм работы программы;
- Все известные справочные параметры, используемые для расчетов, перевести в электронный формат в виде базы данных;
- Разработать на основе алгоритма исполняемый код программы;
- Провести тестирование и отладку кода.
Первая задача заключалась в переносе справочной информации в электронный формат, причем в таком виде, в котором эту информацию мог бы воспринимать компьютер. То есть, просто отсканировать имеющиеся справочники было недостаточно. Для решения этой задачи подходила любая программа для работы с базами данных, самой простой из которых был Microsoft Excel. Еще одной из причин, по которым был выбран именно Excel является его совместимость с языком программирования Python, на котором велась разработка программы. В Excel были созданы таблицы со справочными значениями коэффициентов, из этих таблиц Python извлекал нужные значения и подставлял их в формулы, записанные в исполняемом файле программы. Такой подход позволяет при необходимости корректировать значения в таблицах, при этом не затрагивая код программы.
Вторая задача была более сложной, так как требовала разработать алгоритм работы программы и написать ее код. Решено было реализовывать эту задачу с использованием языка программирования Python, к преимуществам которого относятся: простота освоения, наличие множества модулей для решения практически любой задачи, а также большое сообщество пользователей, которое подскажет как исправить ошибки в коде. Важнейшим преимуществом Python перед другими языками программирование является возможность разработки нейронных сетей, что позволяет использовать разработанную программу в структуре искусственного интеллекта. В первую очередь был разработан алгоритм работы программы с использованием книг [4–6] и представленный на рисунке 2.
Рис. 2. Алгоритм системы расчета припуска
Для обеспечения качества выполняемых программой расчетов использовалась информация из работ [9–11], в которых описаны вопросы обеспечения качества изделий на стадии технологической подготовки производства, рассмотренные при проектировании системы поддержки принятия решений выбора режимных и конструктивных параметров.
Так как расчет припуска выполняется на конкретный размер, толщина срезаемого слоя будет зависеть от параметра шероховатости и допуска на этот размер. С учетом того, что чем меньше допуск, тем больше потребуется операций для обеспечения точности размера (максимум 4 операции: черновая обработка, получистовая обработка, чистовая обработка и финишная обработка), программа должна рассчитывать межоперационные размеры, то есть размеры, получаемые после выполнения операций, но отличающиеся от окончательного размера. Для этого программа определяет квалитет размера детали, рассчитывая значение поля допуска размера на основании введенных пользователем допустимых отклонений, а затем, сравнивая номинальное значение размера и рассчитанное значение поля допуска со всеми возможными квалитетами. После установления квалитета программа определяет требующееся количество операций. Принцип определения квалитета представлен на рисунке 3 и соответствует принципам, заложенным в государственных и отраслевых стандартах [12, 13]. Фрагмент кода для определения квалитета представлен на рисунке 4.
Рис. 3. Принцип определения квалитета
Рис. 4. Код программы для определения квалитета
После определения требуемого количества операций, программа назначает допуск на межоперационные размеры и высчитывает поле допуска, необходимое для дальнейших расчетов.
Далее программа получает информацию о типе заготовке (прокат, поковка, штамповка, литье) и определяет шероховатость Rz и глубину дефектного слоя h заготовки и вычисляет геометрические погрешности заготовки. Для этого используются данные, получаемые из созданной таблицы Excel. Пример такой таблицы представлен в таблице 1.
Таблица 1
Качество поверхности поковок,
изготавливаемых штамповкой
|
Качество поверхности поковок, изготовляемых штамповкой |
||
|
Масса поковки, кг |
Rz, мкм |
h, мкм |
|
До 0,25 |
80 |
150 |
|
Св. 0,25 до 4 |
160 |
200 |
|
Св. 4 до 25 |
200 |
250 |
|
Св. 25 до 40 |
250 |
300 |
|
Св. 40 до 100 |
320 |
350 |
|
Св. 100 до 200 |
400 |
400 |
Кроме геометрических отклонений заготовки программа также рассчитывает погрешность закрепления заготовки в приспособлении. На выбор пользователя предлагается несколько вариантов крепления заготовок: с использованием в качестве баз торцов детали, наружных и внутренних диаметров. После расчета погрешностей, программа определяет припуск для каждой операции, причем вычисляет максимальный, номинальный и минимальный припуск.
Программа была протестирована на нескольких размерах, а оценка ее эффективности проводилась в сравнении с ручным расчетом припуска. Пример расчета припуска для размера ⌀120h6(0; –0,022) мм представлен на рисунке 5.
Рис. 5. Пример расчета припуска по программе для ЭВМ
Очевидно, программа выполняет расчеты с точностью до 10-16 степени, что для машиностроения является излишним, так как не существует инструментов и способов обеспечить такую точность, поэтому для практической работы рекомендуется принимать значения с точностью до 10-3 степени.
Выполнение расчета припуска для размера ⌀120h6(0; –0,022) мм аналитическим методом (вручную):
- Перед началом расчетов необходимо знать диаметр заготовки, поскольку условием задачи диаметр не задан, принимаем его равным ⌀130(0; –0,5) мм – это предположительный размер заготовки.
Поля допусков для детали и для заготовки:
Требуемое уточнение:
- Назначаем требуемое количество операций и допуски на межоперационные размеры:
1-ая операция – черновая обработка – допуск (0; -0,5);
2-ая операция – получистовая обработка – допуск (0; -0,2);
3-я операция – чистовая обработка – допуск (0; -0,1);
4-ая операция – финишная обработка – допуск (0; -0,022).
Определяем поля допусков для каждой операции:
Коэффициент уточнения для каждой операции:
Общее уточнение:
Значения εТО и εобщ. равны, значит операции подобраны правильно.
- Определяем погрешности:
Шероховатость и глубину дефектного слоя принимаем равными: Rz = 200 мкм; h = 250 мкм.
Суммарные геометрические отклонения будут равны 1843,9 мкм (рассчитывается по формулам, согласно [4], здесь приведен результат расчета).
Погрешность базирования ε = 0, т.к. обработка детали ведется в трехкулачковом патроне (схемы закрепления, формулы и значения погрешностей представлены в [4]).
- Рассчитываем минимальный, номинальный и максимальный припуск для черновой операции:
(7)
(8)
(9)
где Rzi-1 – шероховатость поверхности на предыдущей операции, hi-1 – глубина дефектного слоя на предыдущей операции, ∆i-1 – суммарные отклонения расположения поверхностей, εi – погрешность установки заготовки в приспособлении, eiDi-1 – верхнее предельное отклонение размера на предыдущей операции, esDi – нижнее предельное отклонение размера на выполняемой операции, ITDi-1 – поле допуска размера на предыдущей операции, ITDi – поле допуска размера на выполняемой операции.
- Повторяем пункты 3 и 4 для всех операций, полученные результаты вносим в таблицу 2.
- Определяем реальный размер заготовки:
На ручной расчет припуска потребовалось 22 минуты 40 секунд (1360 секунд), тогда как программа справилась за 47 секунд. Сравнивая затраты времени, получаем результат:
Очевидно, что за то время, которое было затрачено на ручной расчет припуска для одного размера, программа может выполнить расчет для 29-ти размеров, и таким образом, эффективность в сравнении с ручным расчетом составляет 2900%. Кроме этого, был определен оптимальный требуемый размер заготовки – если изначально было предположение, что необходимым диаметром является ⌀130 мм, то в конце расчетов (как ручных, так и программных), выяснилось, что размером, достаточным для получения детали, соответствующей чертежу, будет ⌀126,6 мм. Результаты расчетов сведены в таблицу 2 для наглядности.
На описанную в этой статье программу, а также на модуль для нее, разработанный дополнительно в процессе дальнейших исследований, были оформлены свидетельства о регистрации программ для ЭВМ [14, 15], а более подробное описание процесса разработки представлено в книге [7]. Дальнейшее развитие программы позволит использовать ее как часть интеллектуальной системы управления производством, такая возможность рассматривается в статьях [16, 17].
Выводы. Разработанная система расчета припусков решает одну из многих технологических задач и позволяет сократить время на выполнение расчетов, при этом выдает качественный результат, что напрямую влияет на стоимость изготовления детали.
Следует отметить, что используемое при разработке технологически процессов программное обеспечение, в частности, представленные в России программами Вертикаль, Компас-3D, TechnologiCS, NanoCAD не обладают функцией расчета припуска. Использование разработанной программы в совокупности с CAD/CAE системами позволит визуально отобразить расположение и толщину припуска на поверхностях детали, что в свою очередь поможет технологу при составлении технологического процесса.
Таблица 2
Сравнение значений припусков, полученных при ручном расчете и с помощью программы
|
Zi |
Значение Zimin, рассчитанное вручную |
Значение Zimin, рассчитанное программой |
|
Zмин.черн. |
4,5878 мм |
4,5878 мм |
|
Zмин.п.чист. |
0,4212 мм |
0,4212 мм |
|
Zмин.чист. |
0,171 мм |
0,171 мм |
|
Zмин.финиш. |
0,1 мм |
0,1 мм |
|
Zном.черн. |
5,0878 мм |
5,0878 мм |
|
Zном.п.чист. |
0,921 мм |
1,421 мм |
|
Zном.чист. |
0,371 мм |
0,471 мм |
|
Zном.финиш. |
0,2 мм |
0,3 мм |
|
Zмакс.черн |
5,5878 мм |
6,2878 мм |
|
Zмакс.п.чист. |
1,021 мм |
1,7212 мм |
|
Zмакс.чист. |
0,471 мм |
0,571 мм |
|
Zмакс.финиш. |
0,222 мм |
0,322 мм |
Представленная программа может стать частью «умного производства», такого типа производства, когда большую часть работы выполняют машины под наблюдением информационных систем, в том числе с использованием искусственного интеллекта. Одной из причин, по которой программа разрабатывалась на языке программирования Python является частое его использование учеными и разработчиками для работы с нейросетями, что позволяет объединить разработанную программу с другими, решающими иные инженерные задачи, и искусственным интеллектом (нейросетью) в единую систему, которая и станет основой «умного производства».
1. Автоматизация производства [Электронный ресурс] // Data Start URL: https://www.expocentr.ru/ru/articles-of-exhibitions/2016/avtomatizaciya-proizvodstva/?ysclid=m6mkllv075543084715 (дата обращения: 12.09.2024)
2. Автоматизация производственных процессов [Электронный ресурс] // Data Start URL: https:bercut.com/blog/technologies/avtomatizatsiya-proizvodstvennykh-protsessov/?ysclid=m6gw3o1pox76874985 (дата обращения: 12.09.2024)
3. Дронов В.Д. Автоматизация машиностроительных производств в условиях многономенклатурного серийного производства // Материалы XXVIII Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со Дня рождения генерального конструктора ракетно-космических систем академика Михаила Федоровича Решетнева. 2024. С. 552–554.
4. Радкевич Я.М., Тимирязев В.А., Схиртладзе А.Г., Островский М.С. Расчет припусков и межпереходных размеров в машиностроении: Учеб. пособ. для машиностроит. спец. вузов - М.: Высш. шк., 2004. 272 с.
5. Борисов В.Б., Борисов Е.И., Васильев В.Н., Волчкевич Л.И., Воробьев Ю.А., Гайгал И.В., Калашников А.С., Калашников С.Н., Калинин М.А., Калинин М.М., Капустин Н.М., Кацев П.Г., Ковалев В.К., Козунко Б.М., Косилова А.Г., Мещеряков А.И., Мещеряков К.Р., Мещеряков Р.К., Наерман М.С., Новиков А.Н., Орлов П.Н., Панов А.А., Попов Е.А., Рыжов Э.В., Сизенов Л.К., Стародубов В.С., Сухов М.Ф., Фрумин Ю.Л., Цейтлин Л.Б., Шеметов М.Г. Справочник технолога машиностроителя в двух томах. Том 1. Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1986. 656 с., ил.
6. Гриднев В.Н., Досчатов В.В., Замалин В.С., Жданов А.И., Исаченко В.К., Малов А.Н., Орлов П.Н., Панченко К.П., Рождественский Л.А., Стасюнас А.П., Шачнев Ю.А., Шнейдер Ю.Г., Якушев, А.И. Справочник технолога машиностроителя в двух томах. Том 2. Под ред. А.Н. Малова. М.: Машиностроение, 1973. 568 с.
7. Бондаренко Н.В. Автоматизированная система расчета припусков на механическую обработку деталей : монография Москва; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. 132 с.
8. Бондаренко Н.В., Татаринцев И.В., Вшивков Ф.И. Онтология припусков на механическую обработку деталей // Моделирование энергоинформационных процессов : IX Национальная научно-практическая конференция с международным участием, Воронеж, 22-24 декабря 2020 года. Воронеж: Воронежский государственный университет инженерных технологий, 2021. С. 97–100.
9. Пестрецов С.И., Алтунин К.А., Соколов М.В., Однолько В.Г. Концепция создания системы автоматизированного проектирования процессов резания в технологии машиностроения. Издательский дом «Спектр», 2012. 212 с.
10. Бондаренко Н.В., Соколов М.В. Разработка алгоритма расчета припуска на механическую обработку деталей для среды программирования Python // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2022. Т. 28, № 4. С. 674–684. DOI:https://doi.org/10.17277//vestnik.2022.04.P. 674-684. EDN UIMJAE.
11. Алтунин К.А., Пестрецов С.И. Оценка возможности применения CAD/CAE/CAM-систем при проектировании процессов резания и металлорежущих станков // Материалы III-й Всерос. науч.-практ. кластерной заочной электронной конф. «Кооперация науки, образования, производства и бизнеса: новые идеи и перспективы безопасного развития в ближайшем будущем». 2011. С. 347–348.
12. ГОСТ Р 53464-2009. Отливки из металлов и сплавов. Допуски размеров, массы и припуски на механическую обработку : национальный стандарт Российской Федерации : дата введения 2009-12-09 / Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. Изд. официальное. Москва : Стандартинформ, 2010. 62 с.
13. ОСТ 1 00022-80. Предельные отклонения размеров от 0,1 до 10000 мм и допуски формы и расположения поверхностей, не указанные на чертеже : отраслевой стандарт Российской Федерации : дата введения 1981-07-01 / утвержден и введен в действие распоряжением министерства №81-16/5 от 19 сентября 1980. Изд. официальное. Москва : Стандартинформ, 1981. 24 с.
14. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2023663752. Автоматизированная система расчета припуска на механическую обработку (Automated calculation of the processing allowance) / Бондаренко Н.В. (RU), Соколов М.В. (RU) Заявитель и правообладатель: Федеральное Государственное Учреждение Высшего Образования «Тамбовский Государственный Технический Университет» (RU) Заявка №2023661993; заявл. 06.06.2023; зарег. 27.06.2023
15. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2023663117. Модуль программы расчета припуска на механическую обработку (Calculation of allowance for metal machining) / Бондаренко Н.В. (RU), Соколов М.В. (RU) Заявитель и правообладатель: Федеральное Государственное Учреждение Высшего Образования «Тамбовский Государственный Технический Университет» (RU) Заявка №2023661989; заявл. 06.06.2023; зарег. 20.06.2023
16. Хонин К.А., Ермолаев Р.А. Совершенствование технологического процесса в условиях автоматизированного производства // Молодой ученый. 2018. № 25 С. 151–155.
17. Алтунин К.А., Соколов М.В. Применение нейронных сетей для моделирования процесса токарной обработки // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2016. Т. 22, № 1. С. 122–133. DOI:https://doi.org/10.17277//vestnik.2016.01.p. 122-133
