podstawy technologiczne wielokryterialnej optymalizacji procesów

P R A C E N A U K O W E P O L I T E C H N I K I WA R S Z AW S K I E J
z. 255
Mechanika
2013
Józef Zawora
Instytut Technik Wytwarzania
PODSTAWY TECHNOLOGICZNE
WIELOKRYTERIALNEJ OPTYMALIZACJI
PROCESÓW TOCZENIA
ZŁOŻONYCH POWIERZCHNI
NARZĘDZIAMI PUNKTOWYMI
Rękopis dostarczono 25.04.2013 r.
Praca poświęcona jest problematyce dotyczącej procesu toczenia złożonych powierzchni narzędziami punktowymi. Proces może być realizowany na tokarkach i automatach tokarskich CNC oraz
tokarkach kopiarkach. Celem pracy jest rozwiązanie zagadnień niezbędnych do utworzenia technologicznych podstaw optymalizacji wielokryterialnej procesu toczenia złożonych zarysów narzędziami punktowymi. Utworzone podstawy wielokryterialnej optymalizacji mogą być wykorzystane do
budowy postprocesorów technologicznych w modułach technologicznych systemów CAD/CAM.
Proces toczenia kształtowego przebiega w bardzo złożonych warunkach fizycznych ze względu na
zmienność parametrów obróbki, takich jak: prędkość skrawania, posuw, głębokość skrawania oraz
kąty zarysu przedmiotu obrabianego. W czasie zmiennych warunków obróbki występują zmienne
pola temperatur, naprężeń i odkształceń sprężysto-plastycznych, występuje zmiana wartości i rozkładu współczynnika tarcia, zmiana kształtu przekroju warstwy skrawanej, kąta ścinania, roboczych
kątów przystawienia itp. Zmiany kątów zarysu są przyczyną zmiany kierunku i wartości wektora
prędkości posuwu, co powoduje powstawanie składowych sił dynamicznych o znacznej wartości.
Zmienność warunków pracy powoduje zmienne obciążenia, drgania i wpływa na zużycie ostrza.
Przeprowadzono analizę złożonego przebiegu zjawisk odnośnie obliczania trwałości ostrza
i wartości składowych sił skrawania w zmiennych warunkach obróbki oraz warunków tworzenia
teoretycznej chropowatości powierzchni obrobionej. Opracowano zasady przeprowadzania badań
procesu z zastosowaniem techniki planowania eksperymentu oraz opracowano model matematyczny procesu i dokonano jego oceny statystycznej. Do wyznaczenia charakterystyki zużycia ostrza
w funkcji bezwymiarowej wielkości t/T oraz w/W opracowano algorytm aproksymacji z zadanym
warunkiem wymuszenia przejścia funkcji przez punkt początku układu współrzędnych. Opracowano nową metodę badania dokładności tych charakterystyk umożliwiającej obliczanie trwałości
ostrza w zmiennych warunkach obróbki. Opracowano nowy doświadczalny model matematyczny
sił dynamicznych i czasu narastania głównej siły dynamicznej w strefach przejściowych. Podano
4
Wykaz ważniejszych oznaczeń
zasady obliczania trwałości ostrza i innych wielkości wyjściowych w procesie toczenia złożonych
powierzchni. Zaproponowano nową metodę obliczania trwałości ostrza w zmiennych warunkach
obróbki z uwzględnieniem wpływu sił dynamicznych. Wykonano programy numeryczne optymalizacji jednokryterialnej i wielokryterialnej do optymalizacji parametrów skrawania w zmiennych
warunkach obróbki procesu toczenia złożonych zarysów i wskazano na dalsze kierunki rozwoju
prac w rozważanym procesie.
WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ
A
a
ai
ap
an
b
bi
d
D1
D2
D
E
f
fx
fk
F
Fkr
Ff
Fp
Fx
Fy
Fz (lub Fc)
Fxs
Fys
Fzs
Fxsd
Fysd
Fzsd
Fxp
Fyp
Fzp
Fipmax, Fimax, Fidmax
Fipmin, Fimin, Fidmin
g
h
hi
i, j
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
pole poprzecznego przekroju warstwy skrawanej
wysokość warstwy skrawanej
(lub Ai) współczynniki wielomianu
głębokość skrawania
głębokość skrawania mierzona wzdłuż normalnej do osi przedmiotu
szerokość warstwy skrawanej (wersja uproszczona)
współczynniki regresji
średnica materiału
średnica początkowa
średnica końcowa
średnica obliczeniowa na której występuje prędkość średnia vc śr
moduł Younga
posuw na obrót
posuw na obrót – wzdłużny
posuw na obrót – kopiujący
wartość funkcji Fishera-Snedecora
krytyczna wartość funkcji Fishera-Snedecora
siła posuwowa
siła pasywna (nacisku na powierzchnię obrobioną)
składowa siła skrawania równoległa do osi wrzeciona
składowa siła skrawania prostopadła do osi wrzeciona
główna siła skrawania prostopadła do płaszczyzny xy
średnia wartość siły skrawania w okresie trwałości w osi x
średnia wartość siły skrawania w okresie trwałości w osi y
średnia wartość siły skrawania w okresie trwałości w osi z
średnia wartość dynamicznej siły skrawania w okresie trwałości w osi x
średnia wartość dynamicznej siły skrawania w okresie trwałości w osi y
średnia wartość dynamicznej siły skrawania w okresie trwałości w osi z
suma składowych sił skrawania w strefie przejściowej w osi x
suma składowych sił skrawania w strefie przejściowej w osi y
suma składowych sił skrawania w strefie przejściowej w osi z
maksymalne wskazania sił z uwzględnieniem amplitudy
minimalne wskazania sił z uwzględnieniem amplitudy (i = x, y, z)
przyspieszenia ziemskie
grubość warstwy skrawanej
wartość kroku dyskretyzacji lub całkowania
wskaźniki
170
Bibliografia
PRINCIPLES FOR MULTI-CRITERION OPTIMIZATION
OF CONTOUR TURNING WITH A SINGLE POINT-TIP TOOL
Summary
Contour turning with a point-tip tool is very a complex process due to variation of machining
parameters: cutting speed, feed of the cut, depth of the cut and contour angle of the cut surface.
Variable fields of temperature, stress and elastic-plastic deformation develop during the machining, friction coefficient varies, the shape of the cut section changes along with shear angle, instant
tool cutting edge angle and so on. Changes in contour angle values imply changes of cutting feed
direction and its value, which results in additional dynamic force components of considerable level.
Due to varying conditions of operation, cutting force components fluctuate, which is connected with
varying load and the resultant tool wear.
The present CAD/CAM systems do not offer cutting parameter optimization in manufacturing modules. Elaboration of basic multi-criterion optimization of contour turning with a point-tip
tool which could be applied in the NC post-processing development is the major goal of this work.
Making use of experience gained when investigating the contour turning process and the works
concerning the contour turning process carried out in varying conditions, the author elaborated an
experimental mathematical model of the contour turning process.
A new method for estimating the accuracy of the tool wear relationship on dimensionless t/T or
w/W variable has been elaborated and a new model of dynamic forces has been proposed. The tool
wear relationship is then not affected by cutting parameters. A new method of tool life calculation in
varying machining conditions has been elaborated for the parts of complex shapes. The associated
software has been developed using the FORTRAN language for the case of single criterion and limited weight-based multi-criterion case. New principles of tool life calculations have been elaborated,
accounting for dynamic force components occurring in the areas where the shape changes instantly.
This has been accomplished by elaboration of the tool wear relationship with the dimensionless
operation parameter w/W.
The author made an analysis of complex phenomena taking place in the contour turning process
and the resultant surface roughness. The obtained results may be applied in contour cutting on tracer
lathes or numerically controlled lathes.
BIBLIOGRAFIA
[1] Abburi N.R., Dixit U.S.: Multi-objective optimization of multipass turning processes, International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2007) 32: 902–910.
[2] Amborski K.: Podstawy metod optymalizacji, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej,
Warszawa 2009.
[3] Artykuł promocyjny, firma Total, Ciecze do obróbki metali – Część I, Mechanik, nr 3/2006.
[4] Artykuł promocyjny, Kennametal Hertel, Płytki wymienne do toczenia żeliwa, Mechanik, nr 2,
1999.
[5] Artykuł promocyjny.: Wyniki badań trwałości ostrza narzędzi EB firmy Micron, Narzędziowiec Nr 1/2007, s. 44, Sumitomo Electric, NS260 i NS260C – nowe gatunki ceramiki azotkowej Si3N4 do szybkościowej obróbki żeliwa, Mechanik, nr 2, 1999.
[6] Aykut Ş., Demetgul M., Tansel I.N.: Selection of optimum cutting condition of cobalt-based superalloy with GONNS, International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2010)
46: 957–967.