Вопрос 11 Научные подходы к оптимизации режимов резания при лезвийной обработке

При проектировании конкретной технологической операции механообработки необходимо назначить конструкцию и геометрические параметры режущего инструмента, марку инструментального материала, тип и модель станка, параметры режима обработки, оснастку, состав СОЖ и условия ее использования и т.д. Научно обоснованный подход к выбору указанных факторов операции может быть обеспечен процедурой оптимизации, при которой их назначение осуществляется в соответствии с принятым критерием оптимальности и с выполнением заданных ограничений. При этом критерий оптимальности определяет цель оптимизации, а технологические ограничения – реализацию необходимых требований к процессу обработки.

По определению В.М. Глушкова, оптимизация – это выбор такого варианта управления процессом, при котором достигается минимальное или максимальное значение критерия, характеризующего качество управления, – критерия оптимальности. Эффективность управления процессом резания зависит от качества теоретической модели процесса, принятого критерия оптимальности и метода оптимизации.

За последние годы оптимизация процесса резания развилась в обширную самостоятельную область исследований, которая использует достижения теории резания для решения практических задач производства с привлечением компьютерной техники. Теоретические основы автоматизации расчета режима резания с помощью ЭВМ впервые были опубликованы Г.К. Горанским. В работе были изложены методы получения математических моделей оптимизации режимов резания для одноинструментной и многоинструментной обработки, методы получения и алгоритмы на основе эмпирических степенных зависимостей процесса резания. В качестве критерия оптимальности была предложена технологическая себестоимость операции об работки. Оптимизационная модель включала ограничения по режущим возможностям инструмента, наибольшему сечению стружки, допускаемой технологической системой резания, подаче, глубине резания и др.

Вопросы детерминированной оптимизации процесса резания на сегодня рассмотрены, например, в работах Б.Н. Игумнова, К.А. Тинн, Э.Х. Тыугу, Г.Ю. Якобс, Э. Якоб, Д. Кохан и многих других исследователей.

В настоящее время для расчетов оптимальных режимов резания применяются критерии: площадь обработанной поверхности за период стойкости инструмента, технологическая себестоимость операции, приведенные затраты на обработку, прибыль предприятия, производительность труда и др.

Сравнительный анализ различных критериев оптимальности выполнен в работах К.М. Великанова, В.И. Новожилова. Принято считать, что критерий оптимальности "приведенные затраты" более полно отражает все издержки общественного труда, а технологическая себестоимость операции, являясь производным критерием от при веденных затрат, включает в себя переменные факторы обработки.

Для большинства практических случаев в зависимости от технологических ограничений, накладываемых на оптимальный режим резания, выбор критериев оптимальности должен производиться дифференцированно с учетом особенностей производства: его характера, типа и состояния применяемого оборудования, оснастки, типоразмера инструмента и т.д.

К достоинствам экономических критериев оптимальности можно отнести достаточно полный учет экономических аспектов оптимизации процесса резания, экстремальный характер их изменения от факторов обработки. К недостаткам экономических критериев можно отнести трудности формализации некоторых их составляющих и особенно эксплуатационных показателей. Точность оценки экономических критериев зависит от точности расчета стойкости инструмента, что требует разработки достоверных и соответственно более сложных стойкостных моделей. Оптимальность режима резания зависит от факторов конкретного производства, которые должны приниматься во внимание. И, наконец, экономические критерии оптимальности прямым образом не учитывают качество обработки: точность, шероховатость обработанной поверхности и свойства поверхностного слоя детали, что сильно сужает диапазон их эффективного использования.

Качество оптимизации как процедуры выбора оптимальных технологических условий резания требует высокого качества всех составляющих ее частей: адекватности физической и математической моделей реальному процессу, а также использования современных математических методов оптимизации и электронно-вычислительной техники. Решающая роль применительно к процессам механообработки принадлежит физической и математической моделям процесса. Повышение качества используемых моделей является одной из актуальных проблем оптимизации процесса резания.

В основе большинства известных методик оптимизации лежат эмпирические зависимости стойкости инструмента, силы и мощности резания, шероховатости обработанной поверхности и т.д. от оптимизируемых параметров обработки.

Главным недостатком модели на основе эмпирических зависимостей является то, что они не учитывают взаимосвязанности влияния различных исследуемых факторов процесса резания. Факторы, влияющие на процесс резания, рассматриваются обособленно один от другого, хотя их влияние проявляется не только каждого в отдельности, но прежде всего, совместно, в определенных сочетаниях и комбинациях.

Анализ известных моделей оптимизации процесса резания показал, что они учитывают в качестве характеристик качества обработки только шероховатость обработанной поверхности и точность обработки. Эти характеристики качества обработки включаются в оптимизационную модель в виде ограничений. Как граничное условие для автоматизации расчета режимов резания Л.С. Мурашкиным предложено ввести величину остаточных напряжений, наведенных в поверхностном слое детали при ее обработке резанием.

В качестве физического критерия оптимальности процесса резания можно рассматривать температуру в зоне обработки, которой соответствует минимальная интенсивность размерного износа инструмента.

В заключение можно сказать, что применение ЭВМ позволило перейти от графоаналитических методов оптимизации к более точным и современным методам линейного и нелинейного программирования.