Повышение точности обработки деталей типа «полый цилиндр» на основе превентивной компенсации погрешностей износа инструмента

Цель – повышение точности чистового растачивания деталей типа «полый цилиндр» на основе использования превентивных компенсаций износа режущего инструмента. В качестве объекта исследования рассматриваются детали типа «полый цилиндр» на примере втулок цилиндров буровых насосов. Рассматривается операция окончательной обработки центрального отверстия. Обработка производится на токарном станке с числовым программным управлением. В работе предлагается подход, заключающийся в том, что при изготовлении пробной партии изделий осуществляется мониторинг состояния режущей кромки инструмента в динамике. При этом режущее лезвие описывается в виде набора точек, которые в дальнейшем аппроксимируют контур режущей кромки. Учитывая, что характер изнашивания каждой отдельно взятой пластины является случайным, в работе используется подход искусственного интеллекта для решения задачи прогнозирования. Разработана нейро-нечеткая модель, которая описывает режущее лезвие в динамике изнашивания. В модели имеется база знаний, которая пополняется на основе результатов мониторинга формы режущего лезвия. Также модель имеет логический блок, содержащий набор условий, которые позволяют выдавать результаты моделирования с требуемой точностью. Тестирование разработанной модели показывает, что погрешность описания контуров режущего лезвия не превышает 8%. На основе вычисления описаний контура лезвия производится вычисление коррекций траекторий движения режущего инструмента, которые позволяют компенсировать возникающий износ пластины. В результате исследований эффективности полученных решений было установлено, что возможно увеличить эффективность использования инструмента (по критерию стойкости) на 35–45%. Кроме того, созданная нейро-нечеткая модель может быть интегрирована в экспертную систему, которая позволяет снизить риски внезапного отказа режущего инструмента, что особенно важно в случае изготовления деталей гидравлических машин.

1. Гасанов Б.Г., Сиротин П.В., Исмаилов М.А., Харченко Е.В. Повышение ударно-абразивной износостойкости деталей клапана бурового насоса // Научные исследования: итоги и перспективы. 2023. Т. 4. № 1. С. 39–44. https://doi.org/10.21822/2713-220X-2023-4-1-39-44. EDN: LCBCWX.

2. Иванов Е.А., Иванова О.В., Грицына Н.И. Изготовление биметаллических подшипников скольжения для буровых насосов в условиях ТОО «Венчурная фирма «Поиск» // Вестник Северо-Казахстанского университета им. Манаша Козыбаева. 2022. № 3. С. 149–158. https://doi.org/10.54596/2309-6977-2022-3-149-158. EDN: YLGEIK.

3. Пат. № 24529, Российская Федерация, U1, F16J, 1/00. Поршень бурового насоса / патентообладатели: С.Б. Юрочкин, А.И. Павлов, Л.В. Кисельникова. № 2001133902/20. Заявл. 13.12.2001; опубл. 10.08.2002. EDN: CQANWN.

4. Пат. № 117553, Российская Федерация, U1, 15/06, F16K, 1/36. Клапан бурового насоса / Д.О. Макушкин, А.Ф. Мурашко, А.В. Давыдов; заявитель и патентообладатель Сибирский федеральный университет. № 2010145971/06. Заявл. 10.11.2010; опубл. 27.06.2012. EDN: MOGFQR.

5. Пат. № 2770342, Российская Федерация, C1, F04B, 47/00. Насос буровой трехпоршневой одностороннего действия / Р.Ф. Файрушин; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «Иждрил Холдинг». № 2021119163. Заявл. 29.06.2021; опубл. 15.04.2022. EDN: EELKXO.

6. Пат. № 30383, Российская Федерация, U1, E21B, 21/06, 21/10. Насос для буровой установки / заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «Уральский машиностроительный завод». № 2003104460/20. Заявл. 19.02.2003: опубл. 27.06.2003. EDN: NIXYSO.

7. Смирнова Е.Н., Крылов Е.Г. Проблема автоматизированного проектирования технологических процессов с учетом технологической наследственности // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2011. № 13. С. 100–102. EDN: ONCNMF.

8. Kotlyarov V.P., Maslakov A.P., Tolstoles A.A. Digital modelling of production engineering for metalworking machine shops // Proceedings of the Institute for System Programming of the RAS. 2019. Vol. 31. No. 3. P. 85–98. https://doi.org/10.15514/ISPRAS-2019-31(3)-8. EDN: LSIJGC.

9. Пухов А.С. Организационно-технические и экологические принципы создания автоматизированных систем // Безопасность жизнедеятельности: проблемы и решения – 2017: матер. Междунар. науч.-практ. конф. (с. Лесниково, 25–26 мая 2017 г.). Лесниково: Курганская гос. сельскохоз. акад. им. Т.С. Мальцева, 2017. С. 336–342. EDN: YQQXKK.

10. Карлина Ю.И. Интеграция этапов подготовки производства высокоточных малогабаритных деталей на станках с числовым программным управлением // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2021. № 1. С. 17–23. https://doi.org/10.26731/1813-9108.2021.1(69).17-23 EDN: WQHCPV.

11. Artamonov E.V., Tveryakov A.M., Shtin A.S. Investigation of electromagnetic properties of tool hard alloys under the influence of high temperatures // Materials Research Proceedings (Temryuk, 6–10 September 2021). Temryuk, 2022. P. 323–328. https://doi.org/10.21741/9781644901755-57. EDN: ZBJDOB.

12. Кабалдин Ю.Г., Саблин П.А., Щетинин В.С. Управление динамической устойчивостью металлорежущих систем в процессе резания по фрактальности шероховатости обработанной поверхности // Frontier Materials & Technologies. 2023. № 3. С. 43–51. https://doi.org/10.18323/2782-4039-2023-3-65-4.

13. Кабалдин Ю.Г., Иванов С.В., Башков А.А. Управление устойчивостью трибосистемами при внешнем трении и резании на основе алгоритмов нелинейной динамики, теории фракталов и нейросетевого моделирования // Мехатроника, автоматика и робототехника. 2024. № 13. С. 150–156. https://doi.org/10.26160/2541-8637-2024-13-150-156. EDN: NXFIAU.

14. Zakovorotnyi V.L., Gvindjiliya V.E. Influence of speeds of forming movements on the properties of geometric topology of the part in longitudinal turning // Journal of Manufacturing Processes. 2024. Vol. 112. P. 202–213. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2024.01.037. EDN: LHVZHV.

15. Безъязычный В.Ф., Паламарь И.Н. Современные аспекты автоматизации научных исследований качества поверхности деталей машин с использованием методов машинного обучения // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2021. № 7. С. 12–19. https://doi.org/10.30987/2223-4608-2021-7-12-19. EDN: VIPEMD.

16. Artamonov E., Vasilega N., Yadygin A. Analysis of factors affecting operability to assess risks and opportunities in the operation of built-up cutting tools // Key Engineering Materials. 2022. Vol. 910. P. 220–225. https://doi.org/10.4028/p-wu7wdy.

17. Zakovorotny V., Gvindjiliya V. The features of the evolution of the dynamic cutting system due to the regenerative effect // Dynamics of technical systems: AIP Conference Proceedings of the 7 International Scientific-Technical Conference (Rostov-on-Don, 9–11 September 2023). Rostov-on-Don: American Institute of Physics Inc., 2023. Vol. 2507. Iss. 1. Р. 030002. https://doi.org/10.1063/5.0109559. EDN: FLSYFX.

18. Ovsyannikov V., Nekrasov R., Putilova U., Il’yaschenko D., Verkhoturova E. On the issue of automatic form accuracy during processing on CNC machines // Revista Facultad de Ingenieria. 2022. No. 103. P. 88–95. https://doi.org/10.17533/udea.redin.20201111. EDN: HCVDFL.

19. Stupnytskyy V., Dragašius E., Baskutis S., Xianning Sh. Modeling and simulation of machined surface layer microgeometry parameters // Ukrainian Journal of Mechanical Engineering and Materials Science. 2022. Vol. 8. No. 1. P. 1–11. https://doi.org/10.23939/ujmems2022.01.001. EDN: FGAHMG.

20. Proskuryakov N.A., Nekrasov R.Y., Starikov A.I., Solov’ev I.V., Barbyshev B.V., Tempel’ Y.A. Fuzzy controllers in the adaptive control system of a CNC lathe // Russian Engineering Research. 2018. Vol. 38. No. 3. P. 220–222. https://doi.org/10.3103/S1068798X18030188. EDN: XXMQTZ.

21. Темпель Ю.А., Некрасов Р.Ю., Темпель О.А. Моделирование влияния сил резания на геометрию детали и алгоритм автоматизации коррекции управляющей программы // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. № 4. С. 533–537. https://doi.org/10.24412/2071-6168-2022-4-533-538. EDN: JKPXBZ.