Автореферат (Идентификация параметров моделей динамики сложнопрофильных деталей при обработке фрезерованием)

Общая характеристика работыАктуальность темы. На сегодняшний день в практику большинствамашиностроительныхпредприятий,занимающихсяпроизводствомтонкостенных сложнопрофильных деталей внедрен подход численногомоделирования процесса обработки на основе CAD/CAM – систем. Стоитотметить, что ни в одном коммерческом программном комплексе нетвозможности учитывать динамические эффекты, неизбежно возникающиеприфрезерованииуказанныхдеталей,выполненныхизтруднообрабатываемых сплавов, таких как лопатки газотурбинныхдвигателей, моноколеса, блинги, корпусные детали.

Для решения проблемывыбора рациональных режимов обработки и минимизации негативныхвибраций (так называемый «чаттер») необходимо исследовать динамикупроцесса фрезерования с помощью имитационного моделирования.Несмотря на большое количество работ в данной области на текущиймомент существует лишь несколько методик, позволяющих выполнятьимитационноемоделированиединамикипроцессафрезерованиясложнопрофильных деталей и обоснованно выбирать виброустойчивыережимы обработки (Y. Altintas, F. Klocke, P.

Lorong, Гуськов А.М., КиселевИ.А., Воронов С.А.).Однако, решению задачи идентификации параметров моделей динамикизаготовки и инструмента уделено недостаточное внимание. При этом, дляполучения корректных результатов моделирования и обоснованного выборарациональных режимов обработки решение данной задачи необходимо.Особенно актуальной данная проблема становится при исследованиидинамики фрезерования сложнопрофильных тонкостенных деталей изтруднообрабатываемых материалов.Параметры модели динамики заготовки и инструмента, всегда в той илииной степени отличаются от соответствующих экспериментальныхзначений.

Это связано с наличием неопределенности свойств местсоединений заготовки и оснастки, а также с влиянием жёсткости станка надинамические характеристики инструмента/детали. Из этого факта вытекаетнеобходимость верификации и уточнения конечно-элементных моделейконструкций технологической системы на основе результатовэкспериментальных исследований их динамических характеристик.Параметры демпфирования, определяющие коэффициенты динамичностисистемы и оказывающие влияние на динамику процесса, могут бытьполучены только с помощью методов экспериментального модальногоанализа, при этом стоит отметить, что собственные частоты колебаний икоэффициенты модального демпфирования заготовки меняются в процессеобработки.Таким образом, актуальность работы определяется необходимостьюрешения важной прикладной научно-технической задачи, посвященной1идентификации и уточнению параметров численных моделей динамикидетали и инструмента для выбора рациональных режимов обработкифрезерованием.Цели и задачи работы: разработка универсальной методикиидентификации и уточнения математических моделей динамикидетали/инструмента для создания новых инструментальных средствпроектирования производственных процессов обработки фрезерованием,обеспечивающих высокую точность и качество получаемых деталей.Для достиженияследующие задачи:поставленнойцелипотребовалосьрешить1) Разработка методики модальных испытаний заготовки в процессеобработки для анализа изменения её динамических характеристик;2) Разработка методики и программного обеспечения для идентификациипараметров моделей динамики заготовок сложнопрофильных деталей иинструмента с помощью методов экспериментального модальногоанализа и методов уточнения конечно-элементных моделей;3) Апробация разработанной методики и подхода имитационногомоделирования динамики фрезерования для выбора рациональныхрежимов обработки тестовой детали, имеющей форму лопаткикомпрессора газотурбинного двигателя, обеспечивающих высокоекачество поверхности.Методы исследования.

Для решения задачи моделирования динамикипроцесса фрезерования сложнопрофильных деталей использован методконечных элементов в объемной постановке в сочетании с геометрическималгоритмом для моделирования образования новых поверхностей прифрезеровании (Киселев И. А). Для экспериментального определениядинамических характеристик заготовки использован метод стохастическойидентификации подпространств (Van Overshee P.), обеспечивающиймаксимальную точность идентификации коэффициентов демпфирования.Уточнение конечно-элементной модели заготовки по результатаммодального анализа выполнено с применением подходов эволюционнойтопологической оптимизации. Задача детектирования «чаттера» порезультатам моделирования динамики процесса фрезерования решалась спомощью комбинации классического и сингулярного спектральногоанализа.Научная новизна.1.

На основе модальных испытаний разработан метод определениядинамических характеристик тонкостенных сложнопрофильных деталей,изменяющихся в процессе их обработки фрезерованием.22. Установлено влияние изменяющихся в процессе обработки собственныхчастот колебаний и коэффициентов демпфирования заготовки на динамикуфрезерования.3. На основе подхода эволюционной оптимизации разработан методуточнения конечно-элементной модели заготовки, необходимый дляполучения достоверных моделей динамики детали при её обработкефрезерованием.4. Разработан метод выбора рациональных режимов фрезерования,позволяющих минимизировать негативное влияние вибраций при обработкена точность и качество получаемых деталей.Достоверность результатов.

Достоверность научных положений,выводов и рекомендаций работы обоснована:1. Применением классических подходов и методов механикидеформируемого твердого тела, теории колебаний и экспериментальноймеханики.2. Проверкой разработанных алгоритмов и программ на модельных итестовых задачах.3. Удовлетворительным совпадением результатов моделирования динамикифрезерования, полученных с использованием уточненной модели, срезультатами натурных экспериментов.4. Опытом практического применения достигнутых результатов в филиале«НИИД» АО «НПЦ газотурбостроения «Салют».Практическая ценность работы. Создан пакет программ дляидентификации динамических характеристик механических конструкций порезультатам модальных испытаний и уточнения их конечно-элементныхмоделей. Разработанные программы могут быть использованы намашиностроительных предприятиях для получения достоверных моделейдинамики конструкций, а также для имитационного моделированиядинамических процессов обработки фрезерованием.

Разработан метод ипрограммное обеспечение для обработки результатов численногомоделирования динамики фрезерования с целью выявления благоприятныхи неблагоприятных с точки зрения возникновения «чаттера» режимовобработки. Решена задача выбора виброустойчивых режимов фрезерованиятестовой сложнопрофильной тонкостенной детали, имеющей формулопатки компрессора газотурбинного двигателя.Реализация работы.

Результаты диссертационной работы иразработанное программное обеспечение внедрены в практикуэкспериментальных исследований динамики процесса фрезерованиядеталей газотурбинных двигателей в филиале «НИИД» АО «НПЦгазотурбостроения «Салют», а также используются для модальных3испытаний на предприятиях ФГУП ЦИАМ, НИИСФ РААСН, ВПК «НПОМашиностроения».Апробация работы. Основные положения диссертационной работыдокладывались и были одобрены на 5-ой международной конференции«Проблемы механики современных машин» (Улан-Удэ, 2012), на 5-оймеждународной конференции IOMAC по операционному модальномуанализу (г.

Portugal, Guimaraes, 2013), на XXXIX академических чтениях покосмонавтике. (г. Реутов, 2014), на 18-ой международной конференцииVibroengineering (г. Poland, Katowice, 2014), на конференции «Современныеметоды испытаний авиационной техники» в рамках 13-ой Международнойвыставки испытательного и контрольно-измерительного оборудования(Москва, 2015), на 3–ей международной конференции «Динамика ивиброакустика машин» (г.

Самара, 2016).Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, втом числе 7 из них в рецензируемых журналах и изданиях, рекомендуемыхВАК РФ и 3 статьи в зарубежных научных изданиях, входящих в базуScopusСтруктура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пятиглав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работаизложена на 184 листах машинописного текста, включая 96 рисунков и 5таблиц. Библиография работы содержит 129 наименований.Содержание работыВо введении обоснована актуальность темы, сформулированы цельнаучного исследования, задачи, научная новизна и практическая ценностьработы.

Приведено краткое содержание работы по главам.В первой главе приводится обзор и анализ литературы, посвящённойметодам экспериментального модального анализа и уточнения моделей, атакже расчетным и экспериментальным методам исследования динамикифрезерования сложнопрофильных деталей.Базовые работы по идентификации модальных параметров в частотной ивременной области связаны с именами таких учёных, как: Бернс В.А,Смыслов В.И., Хомяков В.С, Микишев Г.Н, D. Bishop, Richardson M.,Allemang R.,Brown D., Rixen D., Peeters B., Zimmerman R., Ewins D., Sas P.,Heylen W. и др. Основной проблемой при решении задачиэкспериментального модального анализа является корректное определениекоэффициентов демпфирования в системе.