close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000102645

код для вставкиСкачать
/
Vv
Скх
На правах рукшвн^>>^*%
ПОСТНОВ Владимир Валентинович
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ НЕСТАЦИОНАРНОГО РЕЗАНИЯ
ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ
ОПТИМИЗАЦИИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ
ИЗНАШИВАНИЯ Р Е Ж У Щ Е Г О ИНСТРУМЕНТА
Специальность 05.03.01 - «Технологии и оборудование
механической и физико-технической обработки»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Уфа 2005
Работа выполнена в Уфимском государственном авиационном
техническом университете (УГАТУ) на кафедре автоматизированных
технологических систем
Научный консультант:
доктор технических наук, профессор
Вячеслав Цыденович Зориктуев
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Александр Александрович Барзов,
доктор технических наук, профессор
Валентин Владимирович Трусов,
доктор технических наук, профессор
Виктор Леонидович Юрьев.
Ведущее предприятие ОАО «Пермский моторный завод».
Защита диссертации состоится
2005 г. в
часов на заседании
диссертационного совета Д 212.288.04 при Уфимском государственном
авиационном техническом университете по адресу:
450000 г.Уфа, ул.К.Маркса, 12, УГАТУ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГАТУ.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим
направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря.
Автореферат разослан «
Ученый ceiqjerapb
диссертационного совета,
д-р. техн. наук,
профессор
2005 г.
zQot±_ itiye^o
1лт^
1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы
В настоящее время, в соответствии с общемировой тенденцией
интенсификации технологических процессов, лезвийная обработка вступает в
новый этап повышения конкурентоспособности по сравнению с другими
методами формообразования в связи с развитием мехатронных станочных
систем, оснащенных интеллектуальным компьютерным управлением. Их
использование наиболее эффективно для обработки сложнопрофильных
деталей и предполагает высокую степень управляемости процесса резания при
соблюдении принципов его внешней (на стадии технологической подготовки) и
внутренней (на стадии реализации процесса) оптимизации.
Анализ конструктивных особенностей и технологических схем обработки
деталей сложной конфигурации, применяемых в авиационной, энергетической,
космической и других наукоемких отраслях машиностроения, показывает, что
подавляющее большинство поверхностей этих деталей (торцевые, конические,
тороидальные) обрабатьшаются при непрерывном и закономерном изменении
одного или нескольких параметров режима резания. Как правило, указанные
детали изготавливаются из жаре- и особопрочных материалов, обладающих
весьма низкой обрабатываемостью вследствие высокой интенсивности износа
режущего инструмента. Износ инструмента приводит к дестабилизации
внутренних и выходных параметров процесса резания (с
илы и температуры, характеристик качества обработанной поверхности),
на которые накладывается внешняя нестационарность от изменения входных
управляемых и неуправляемых параметров обработки, в том числе обусловленная
использованием
систем автоматического
управления,
реализующих направленное изменение элементов режима резания для
поддержания температурно-скоростного и силового режимов обработки на
оптимальном уровне.
В настоящее время в условиях нестационарного резания режимы
обработки назначаются, как правило, по предельным значениям диаметра
обрабатываемой поверхности, глубины резания, подачи, геометрии
инструмента и других переменных параметров. Возможную нестационарность
учитывают введением поправочных коэффициентов на снижение элементов
режима резания и периода стойкости инструмента. Управление режимом
обработки на станках, оснащенных системами автоматического управления, в
основном базируется на закономерностях, полученных при стационар1юм
резании и не учитывающих специфики протекания контактных процессов при
переменных
параметрах
нагружения
(заргВбсваматондяымяагическая
БИБЛИОТЕКА
L^^U
i
наследственность, последействие и т.д.), что приводит к неоправданному
снижению производительности обработки, стойкости режущего инструмента,
точности и качества обработанных деталей.
Как показал анализ опубликованных теоретических и экспериментальных
исследований, это связано с недостаточной изученностью нестационарной
обработки вследствие сложившихся представлений об отрицательном влиянии
переменности режима резания на размерную стойкость инструмента, качество и
себестоимость обработанных деталей, значительной сложностью разработки
математических моделей, адекватно описьгоающих динамику контактных
процессов в условиях, далеких от термодинамического равновесия.
Вместе с тем в последнее время получены существенные результаты,
позволяющие проводить разработку новых методов управления лезвийной
обработкой при использовании положений термодинамики неравновесных
процессов для комплексного анализа контактных процессов в зоне обработки и
износостойкости режущего
инструмента с учетом взаимосвязи и
взаимовлияния (синхронизма) механо-химических и тепловых явлений,
протекающих в зоне контакта, трансформации свойств взаимодействующих
поверхностей инструмента и детали.
В связи с вышеизложенным, разработка термодинамических принципов
обеспечения управляемости и интенсификации нестационарной лезвийной
обработки деталей из труднообрабатываемых материалов для повышения
эффективности эксплуатации мехатронных станочных систем является важной
научной проблемой.
Актуальность диссертации подтверждается тем, что ее основу составляют
выполненные автором исследования в рамках:
- межотраслевой научно-технической программы М А П СССР и Минвуза
Р С Ф С Р «Авиационная технология» (направление 05.01, 1982-1990 гг.);
- научно-технической программы фундаментальньпс и прикладньк
исследований <'Новые технологии и автоматизация производственных
процессов в машиностроении» Госкомитета СССР по народному образованию
(1989-1990 гг.);
- межвузовской программы «Научные исследования высшей школы в
области производственных технологий» (раздел «Технология и оборудование
для обработки изделий машиностроения, 2000 г.);
- грантов Минвуза Р Ф и Академии наук Республики Башкортостан (19922000 гг.);
- федеральной целевой программы «Государственная поддержка
интеграции высшего образования и фундаментальной науки (направлеьгае 3,
раздел 1.4,1997-2006 гг.).
Цель работы: Повышение эффективности нестационарного резания
жаропрочных сталей и сплавов на основе оптимизации термодинамических
условий контактирования и изнашивания режущего инструмента.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих
задач:
1. Выполнить структурно-энергетический анализ лезвийной обработки с
использованием термодинамики неравновесных процессов для описания
взаимосвязи термомеханических явлений в зоне резания с изнашиванием
режущего инструмента. Получить аналитические выражения для определения
основных составляющих (диссипативных фупюшй) энергетического баланса
зоны контакта инструмента с деталью, учитывающие специфические
особенности и элементы режима нестационарной механической обработки.
2. Разработать методики, аппаратуру и экспериментальные установки,
вьшолнить комплекс экспериментальных исследований обрабатываемости и
фрикционного взаимодействия инструмента с деталью при нестационарной
токарной обработке жаропрючных сталей и сплавов.
3. На основании исследований механики процесса резания, с учетом
особенностей развития процессов деформации и разрушения материалов при
динамическом нафужении, разработать математические модели для расчета
параметров
напряженно-деформированного
состояния
зоны
стружкообразования при управляемом изменении элементов режима резания
4. Провести анализ синхронизма механических и тепловых явлений в
процессе резания с учетом изнашивания режущего инструмента; предложить
термодинамические критерии оценки процессов трансформации затраченной
механической энергии в тепловую в пределах зоны контакта инструмента с
деталью и разработать на их основе методы минимизации интенсивности
износа при управляемом изменении скорости резания.
5. Вьшолнить технико-экономическое обоснование методов повышения
эффективности лезвийной обработки жаропрочных материалов при
управляемом нестационарном точении. Разработать методические материалы и
технологические рекомендации по рациональным (оптимальным) режимам
нестационарного
резания
труднообрабатываемых
конструкционных
материалов, осуществить внедрение результатов исследования в производство
и учебньлй процесс.
Методы
исследований.
Для
решения
поставленных
задач
использовались основные положения теории резания металлов, термодтгамики
неравновесных процессов, теплофизики технологических процессов, теории
пластической деформации металлов, теории подобия, теории износа и
молекулярно-механической теории трения.
в экспериментальных исследованиях использованы как стандартные или
известные методики проведения стойкостных, температурных и силовых
экспериментов, измерения параметров вибраций в процессе резания, так и
спехщально разработанные методы и установки для определения прочностных,
деформационных, термоэлектрических и диссипативных характеристик на
модели локального фрикционного контакта инструмента с заготовкой,
нестационарной обработки на станках с ЧПУ, в том числе - с использованием
автоматических регуляторов температуры резания.
Применялась вычислительная техника с использованием стандартных и
специальных профамм обработки результатов экспериментов, расчета
термодинамических зависимостей и критериев, температурных полей в зоне
резания.
Достоверность положений и выводов исследований подтверждалась
проверкой адекватности полученных зависимостей в реальном процессе
резания и результатами производственных испытаний.
Научная новизна работьл состоит в следующем;
- разработке и теоретическом обосновании термодинамической модели
управляемого нестационарного резания с учетом полноты диссипативных
процессов в зоне контаюга инструмента с деталью и затрат энергии на
формоизменение режущего инструмента при его изнапшвании;
- разработке математических моделей для расчета параметров
напряженно-деформированного состояния зоны резания, учитывающих явление
запаздывания пластической деформации в зоне сдвига при обработке с
управляемым изменением элементов режима резания;
- установлении новых закономерностей силовых, температурных и
деформационных характеристик процесса резания, учитывающих не только
текущее значение элементов режима резания, но и скорости их изменения в
процессе обработки;
- определении термодинамических условий, критериев и методов
минимизации интенсивности износа инструмента, основанных на впервые
установленном явлении существования энергетически оптимальной зоны
эксплуатации режущего инструмента, в пределах которой наблюдается
наиболее полная диссипация механической энергии в тепловую и отвод ее от
изнашиваемой
поверхности
термопластически
деформированными
приконтактными слоями обрабатываемого материала;
- разработке принципов интенсификации механообработки на основе
выявленных механизмов синхронизации механических и тепловых эффектов в
зоне резания для повышения технико-экономической эффективности
мехатронных станочных систем.
5
Практическая ценность работы
На основании выполненных теоретических и экспериментальных
исследований:
- предложены методы и алгоритмы управления процессом обработки на
станках с Ч П У и мехатронных станочных системах за счет изменения режима
резания с оптимальной интенсивностью, из условия наиболее полного
термодинамического равновесия механических и тепловых процессов на
изнашиваемой поверхности инструмента;
- разработаны технологические рекомендации по рациональным
режимам нестационарной обработки жаропрочных сплавов на никелевой
основе, рекомендуемые справочные данные по режимам резания и инструменту
для
автоматизированных
модулей
механообработки
деталей
из
труднообрабатываемых материалов;
- предложены инженерные методики и новые способы: ускоренного
определения оптимальных режимов нестационарного резания (патент Р Ф
№ 2207935); оценки обрабатываемости (патент Р Ф № 2247963); определения
оптимальной скорости резания при точении (а.с. № 1211640) и сверлении (а.с.
№ 1430181, 1371783); определения допустимой подачи инструмента (а.с. №
1386373, 324389); определения режущей способности инструмента (а.с. №
1419296, 293378); определения модуля упругости износостойкого покрытия
(а.с. № 35997), позволяющие решать задачи сокращения сроков и трудоемкости
технологической подготовки производства при построении операций обработки
деталей из труднообрабатываемых материалов в управляемом нестационарном
режиме;
- разработан комплекс методического и аппаратного обеспечения
экспериментальных исследований процессов контактного взаимодействия
инструмента с обрабатываемой деталью для экспресс-выбора рациональных
марок
инструментального
материала
и
назначения
оптимальньпс
технологических режимов обработки.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены на
крупных предприятиях машиностроения (ОАО «Пермский моторный завод»,
Ф Г У П М М П П «Сашот»; Ф Г У П Кум.АПП, Ф Г У П У А П «Гидравлика», Ф Г У П
УППО); приняты в качестве методических рекомендаций Научноисследовательским институтом технологии и организации производства
двигателей (ОАО НИИТ); в виде информационного обеспечения по режимам
резания и режущему инструменту для автоматизированных модулей
механообработки деталей используются в сети инженерных центров по
комплексной автоматизации и созданию интегрированных проектнопроизводственных систем Института инноватики при СПбГПУ.
Научные и практические результаты данной работы вошли в монографию
автора, учебные пособия и методические указания, используемые в учебном
процессе подготовки инженеров по специальностям «Мехатроника» и
«Автоматизация технологических процессов».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и
обсуждались на международных, всесоюзных, всероссийских, региональных
научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах с 1985 по 2005 гг
в различных городах России и СНГ, среди которых: «Физическая оптимизация,
управление и контроль процессов обработки резанием» (Уфа, 1991);
«Теплофизика
технологических
процессов»
(Рыбинск,
1992);
«Теплофизические проблемы производства летательных аппаратов и
двигателей» (Казань, 1993); «Термодинамика технологических систем»
(Краматорск, 1993); «Технология-94» (С.-Петербург, 1994); «Новые технологии
в машиностроении» (Харьков - Рыбачье, 1994); «Технология механообработки:
физика процессов и оптимальное управление» (Уфа, 1994); «Теплофизика
технологических процессов» (Рыбинск, 1996); «Технология - 96» (Новгород,
1996); «Проблемы трибологии производства» (Иваново, 1997); «Динамика
систем, механизмов и машин» (Омск, 1998); «Новые технологии управления
движением технологических объектов» (Новочеркасск,
1999, 2000);
«Повышение эффективности механообработки на основе аналитического и
экспериментального моделирования процессов» (Рыбинск, 1999); «Механика и
прочность авиационных конструкций» (Уфа, 2001); «Технология -2001» (Орел,
2001); «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков»
(Рыбинск, 2002); «Интеллектуальные мехатронные станочные системы» (Уфа,
2003); «Динамика технологических систем» (Саратов, 2004); «Оптимизация и
управление процессом резания, мехатронные станочные системы» (Уфа, 2005).
Материалы работы экспонировались и удостоены бронзовой и
серебряной медалей ВДНХ СССР в 1977 г. и 1988 г.; рассматривались
Межотраслевым экспертным советом по содействию внедрению научнотехнических достижений (МЭС) в 1990 г. Работа обсуждалась на выездных
заседаниях Головного совета «Машиностроение» в 1994 и 2000 гг.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 67 научных
работах, в том числе - одной монографии и трех учебных пособиях. По теме
диссертации получено восемь авторских свидетельств и два патента на
изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести
глав, списка литературы и приложения, содержит 326 страниц машинописного
текста, 217 наименований использованной литературы, 175 рисунков, I I
таблиц.
Основные научные положения и результаты, полученные лично
автором и выносимые на защиту
1. Термодинамическая модель управляемого нестационарного резания,
полученная с учетом полноты диссипативных процессов в зоне контакта
инструмента с деталью и затрат энергии на формоизменение режущего
инструмента при его изнашивании.
2. Модели для расчета параметров напряженно-деформированного
состояния зоны резания, учитывающие явление запаздывания пластической
деформации в зоне сдвига 1фи обработке с управляемым изменением элементов
режима резания.
3. Новые закономерности силовых, температурных и деформационных
характеристик процесса резания, учитывающие не только текущее значение
элементов режима резания, но и скорости их изменения в процессе обработки.
4. Термодинамические условия, критерии и методы минимизации
интенсивности износа инструмента, основанные на впервые установленном
явлении существования энергетически оптимальной зоны эксплуатации
режущего инструмента, в пределах которой наблюдается наиболее полная и
быстрая диссипация механической энергии в тепловую и отвод ее от
изнашиваемой
поверхности
термопластически
деформированными
приконгактными слоями обрабатываемого материала.
5. Методологические принципы поиска оптимальных условий и алгоритмов
управления процессом механообработки на основе выявленных механизмов
синхронизации механических и тепловых явлений в зоне резания для
повышения эффективности мехатронных станочных систем.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность проблемы, изложена краткая
характеристика работы, показана научная новизна, практическая ценность и
достоверность полученных результатов, основные задачи и положения,
которые выносятся на защиту, приведены сведения об апробации и реализации
основных положений диссертации.
Первая глава содержит анализ состояния проблемы интенсификации
нестационарного резания труднообрабатываемых материалов, обоснование
цели и задач исследования.
Изложено понятие нестационарной лезвийной обработки как процесса
срезания единичного слоя припуска, при котором технологические параметры
(элементы режима резания, геометрия инструмента и т.д.) изменяются во
времени непрерывно или дискретно. Нестационарный режим определяется в
каждый MOMeirr времени не только текущими значениями скорости резания v,
8
подачи S и глубины /, но и их производными по времени: - ускорением
движения резания Оу, скоростью изменения подачи as и глубины резания а,.
Приведены расчетные зависимости для определения указанных выше
элементов нестационарного режима резания при обработке торцевых и
конических поверхностей.
Систематизация факторов, определяющих нестационарность процесса
резания как объекта управления, позволила разделить нестационарность на
внешнюю, определяемую конструктивными особенностями обрабатываемой
детали, измене1шем элементов режима резания (v, s. t, <р...), а также
случайными внешними факторами, и внутреннюю, связанную с изменением
физического состо5шия зоны контакта инструмента с деталью, прежде всего - с
необратимым ростом износа инструмента.
Анализ теоретических и экспериментальных исследований механики и
теплофизики процессов лезвийной обработки, износостойкости режущего
инструмента показал, что в значительном объеме публикаций доля
исследований процесса резания при непрерывно изменяющихся входных
параметрах обработки весьма незначительна. В большинстве работ
исследования комплекса параметров обрабатываемости выполнены в условиях,
близких к стационарным или квазистационарным. Отдельные факторы внешней
нестационарности (например, изменение скорости резания при торцевом и
продольном точении фасонных, конических, ступенчатых поверхностей) не
рассматривались комплексно, в совокупности с факторами, связанными с
внутренней нестационарностью, обусловленной износом инструмента,
изменением
силы
и
температуры
резания,
термодинамической
нестабильностью контакта. Это можно объяснить высокой трудоемкостью
экспериментов и необходимостью специального оборудования для изучения
влияния скорости изменения элементов режима резания, а также
сложившимися представлениями о том, что переменность входных параметров
приводит к снижению размерной стойкости инструмента, производительности
и качества обработки.
В то же время в работах В.Н. Подураева, А.Д. Макарова, А.Н. Резникова,
В.Ц. Зориктуева, С.С. Силина, В.В. Трусова, Д. Кумабэ, Ж.С. Кайнта и
Р.С. Гупты показано, что переменность режима резания может снижать
относительные деформации в зоне сдвига, силу резания, интенсивность
тепловыделения и температуру резания.
Возможность снижения интенсивности износа, увеличения периода
стойкости инструмента в 1,2-4 раза при торцевом точении дисков ГТД в
режиме постоянства температуры резания (ПТР), поддерживаемой за счет
изменения скорости резания, показана в работах В.Ц. Зориктуева, В.В.Трусова,
а для продольного, торцевого и конусного точения с переменной скоростью
резания - в работах Кроненберга, Фердинанда, Мюррея, В.Л. Юрьева.
Эффективность управляемого нестационарного резания для обеспечения
высоких характеристик качества обработанной поверхности деталей ГТД
доказана в работах В.Ф. Безъязычного, В.Л. Юрьева, В.К. Старкова.
В последнее время для целей управления процессом обработки и
повышения работоспособности режущего инструмента используются методы
термодинамики и синергетики (А.А. Барзов, В.Н. Подураев, В.В. Закураев,
Ю.Г. Кабалдин, А.А. Рыжкин, В.Л. Юрьев). Несмотря на значительную
общность термодинамического подхода к оценке трения, разрушения и
изнашивания, полученные зависимости не учитывают особенностей протекания
термомеханических процессов при нестационарном резании; как правило,
функциональные связи между входными и выходными параметрами процесса
резания получены при условии априорно полного превращения механической
энергии в тепловую в пределах зоны контакта инструмента с заготовкой;
расчетные зависимости содержат ряд параметров, которые не могут был.
определены экспериментально или расчетным путем и являются константами
только для стационарного температурно-силового режима нагр^'жения.
Таким образом, анализ литературы показал недостаточную изученность
процессов нестационарного резания, отсутствие комплексных исследований
влияния не только текущего значения элементов режима резания, но и скорости
и направления (знака) их изменения в процессе обработки, во взаимосвязи с
факторами внутренней нестационарности, обусловленной изменением
термодинамического состояния зоны резания и износа инструмента, на
выходные физические и технологические параметры процесса резания для
повышения эффективности современных станочных систем.
Это обусловило необходимость настоящего исследования, определило
его основное направление, цель и задачи.
Во второй главе представлен структурно-энергетический анализ
процесса резания на основе термодинамики неравновесных процессов.
Состояние
зоны
контакта
инструмента
с
деталью
как
самоорганизующейся термодинамической системы, при переменные во
времени т условиях нафужения, описано с помощью диссипативных функций
Т , представляющих собой скорость изменения
у,
энергии, затрачиваемой
на какой-либо процесс, отнесенной к единице фактической площади А^
контакта, или же рассчитываемых как произведение скорости изменения
ds /
энтропии у,
на температуру, а также как произведение термодинамической
10
(обобщенной) силы (АсУ,) и обобщенного потока (У/):
*-Х !^=»7?=<->^'-
*■>
Принимая в первом приближении, что механическая внешняя энергия
\j7 , подведенная к зоне контакта инструмента с деталью, затрачивается на
тепловыделение при деформации обрабатываемого материала \j7^, а также на
изменение
внутренней
энергии
при
формоизменении
и
износе
инструментального материала \^р, закон сохранения энергии в форме баланса
диссипативных функций (ДФ) можно записать в виде
^,=%+^,.
(2)
Используя закономерности теории резания, кинетической теории
прочности и пластичности, механохимии и физической кинетики, были
конкретизированы составляющие уравнения баланса ДФ.
С учетом закономерностей распределения удельных нагрузок в зоне
резания, предложенных С.С. Силиным и В.В. Трусовым, и наличия трех зон
формирования силы резания Р^, ДФ внешних сил представлена в виде
пл
1 + В^
0,6875 „ , „ '
W =—i
-(Р 1)=-^-^
+
+
0,505
, (3)
'Р-'
BO + B-tgr)
к.
где Ь - ширина срезанного слоя; h^ и с - длины контакта резца со сфужкой и
деталью по задней и передней поверхностям инструмента; т^ - напряжение
сдвига обрабатьшаемого материала, / - путь резания, к^ - коэффициент усадки
стружки; у - передний угол резца; В = tgP,, где р, - условный угол сдвига.
При получении уравнения ДФ пластической деформации исходили из
представления о трансформации энергии деформации в тепловую энергию,
рассеиваемую в стружку, деталь, резец и окружающую среду. При этом, в
соответствии с данными Те и Скраттона, предполагалась возможность
неполного превращения механической энергии в тепловую в пределах зоны
контакта инструмента с деталью вследствие высоких скоростей и ускорений
деформации, конечности скорости превращения и возможности увеличения
напряжения сдвига Дт^, внутри пластической зоны вследствие эффекта
скоростного упрочнения,
температуры на t ^.
компенсирующего
разупрочняющее
Отнеся упрочнение приповерхностного слоя через
Ат^
влияние
к числу
дислокаций D, приходящихся на единицу степени пластической деформации, с
учетом {юста термодинамического потенциала в скоплениях п компланарных
11
дислокаций, обобщенная термодинамическая сила процесса пластической
деформации представлена в виде
(До^=-^-Дт,.
(4)
Для определения Ах^, рассмотрено влияние адиабатического повышения
температуры на напряжение пластического течения т
при этом изменения
скорости и степени деформации были представлены как эквивалентные
изменения температуры, модифицированной по скорости деформации
е*, = в(1-А:,/п Е У ),
(5)
/^0
где к] - постоянная, выбираемая таким образом, чтобы изменения напряжения
Тр при температуре О и скорости деформации ej, были такими же, как при
скорости е' и температуре 6^.
Получено выражение для касательного напряжения при пластическом
течении в виде
т . = ст.
(6)
1 —WJj.2j.
(<дм 1 ''
где от = 1 - OTj-z
г-т V^«r/'
A0W
^т
Двд/
+п ^М
имеет
физический
смысл
коэффициента температурно-скоростного упрочнения материала детали в
контактной зоне; а» - предел прочности материала детали, полученный при
деформировании в изотермических условиях; гпг, zj - постоянные; и, показатель степени деформационного упрочнения; 9^ - температура плавления
обрабатываемого материала, Авд^ - приращение модифицированной
температуры.
СЭбобщенный поток реакции J^ процесса пластической деформации как
процесса образования и движения дислокаций в объеме термопластически
деформированной зоны определяется выражением
/ -ос
^^""^
(7)
где р, с - соответственно плотность и удельная теплоемкость материала детали.
Диссипативная функция процесса пластической деформации как
поверхностной плотности тепловой энергии, с учетом уравнений (4) и (7)
может быть представлена в виде
^,=~\o'pc■^вЛ-m)■K■^\
(8)
где hg - толщина термопластически деформированного слоя материала детали.
12
Используя решение задачи определения толщины прирезцовых слоев
стружки и детали, претерпевающих термопластическую деформацию, в виде
«тонких стенок» с перепадом температур А9, полученное в работе В.В. Трусова
и понятие температуры, модифицированной по скорости пластической
деформации, получены выражения для расчета hsd детали в зоне ее контакта с
задней поверхностью инструмента и hec стружки:
К, = ,^
^ес =
л /.
— ;
(9)
х-де^
0,75 в vc
где А - коэффициент теплопроводности материала детали; v^- - скорость
движения стружки; Л и A3 - длина контактной зоны по задней поверхности
острозаточенного и изношенного резца, соответственно.
Для определения скорости деформации е', входящей в уравнение (8),
исходя из принципа подобия градиентов скоростей деформации и температур, с
учетом концентрации теплоты в прирезцовых слоях обрабатываемого
материала получено выражение
С
где С
{п + \)екр{-кЛ
;
In
'1'
(И)
- средняя толщина приконтактного текущего слоя; 6^ - максимальная
температура
в
зоне
стружкообразования;
ю
коэффициент
температуропроводности материала детали; kj - коэффициент концентрации
теплоты.
Подставляя в уравнение (8) значения hg и е' из выражений (9), (10) и (11),
можно рассчитать ДФ для основных зон пластической деформации, а их
суммированием определить
ф^
как плотность тепловой энергии,
выделяющейся в процессе резания.
Получено выражение ДФ формоизменения инструментального материала
при его изнашивании и образовании новых свободных поверхностей. При этом
использована модель сложно-напряженного состояния фаничного слоя
конечной толщины h„ для случая произвольного распределения В1гешней
нормальной рг и касательной т„ удельных нафузок.
'
А. dz
3(1 + ^ ^ ) <
+ о,„
4£
Л,
и,
(12)
где Аг - фактическая площадь контактной поверхности; V^ - деформированный
объем; ц и £ - коэффициент Пуассона и модуль упругости инструментального
13
материала; а_^ - напряжение, обеспечивающее локальные сдвиги в объеме
деформируемого слоя; a„, - гидростатическое давление, обеспечивающее
дополнительные сдвиги; Up - энергия формоизменения деформируемого слоя
инструмента.
Для определения внутренних разрушающих напряжений а_^ и o„,
решена контактная задача теории пластичности для сложно-напряженного
состояния фрагмента износа, с учетом статистического подхода к определению
усталостной прочности инструментального материала при нестационар1гом
тепловом режиме нагружения, реализованного в работах Г.С. Писаренко и
А.А. Лебедева.
Получено уравнение общего энергетического баланса
3(1 + ц ) . о \ ^ , ( 1 3 )
di
АЕ
позволяющее рассчитать скорость объемного износа инструмента по известной
киимосвязи между деформированным и изношенным
объемами у^ =Vf^-N.
определив число воздействий .V, приводящих к отделению частицы износа.
Таким образом, показана принципиальная возможность управления
изнашиванием инструмента путем целенаправленного изменения механической
и тепловой составляющих уравнения энерг-етического баланса, в том числе - за
счет выбора не только оптимальных сочетаний v, s, t, но и скоростей их
изменения. Для реализации этого необходимо изучить деформационные,
силовые и температурные зависимости при нестационарном резании,
определить пути управления этими параметрами, их оптимальные значения,
закономерности влияния на характеристики размерной стойкости инструмента.
В третьей главе представлены теоретические и экспериментальные
исследования параметров напряженно-деформированного состояния (НДС)
зоны стружкообразования при нестационарном резании.
Установлено, что при нестационарном резании характер зависимостей
деформационных характеристик {к,р,е,е') аналогичен стационарному, но
величина и знак скорости изменения элементов режима резания (а„ а^)
оказывают значительное и неоднозначное влияние на уровень и поведение
указанных зависимостей. В пределах исследованных диапазонов существуют
значения а„, а„ при которых процесс деформации срезаемого слоя облегчается,
обеспечивая наибольший уровень зависимостей P(v) или p(j). Скорость
изменения глубины резания а, практически не оказывает влияния на
деформационные параметры процесса резания.
14
Предложена модель стружкообразования (рис. 1, а), согласно которой
ускорение резания вызывает изменение угла сдвига лр в пределах зоны
конечной толщины &S^ за счет опережения А/ перемещения вершины резца по
отношению к свободной поверхности зоны стружкообразования, вследствие
обратного течения материала на наружной поверхности зоны сдвига за время
единичного цикла стружкообразования.
Рис. 1. Модель для анализа изменения условий стружкообразования при
обработке с переменной скоростью резания а и толщиной среза б
Получено уравнение для расчета характеристик деформации срезаемого
слоя при непрерывном изменении скорости резания, учитывающее явления
наследственности и эволюции деформационных процессов:
ctgp,=ctgp<,-
2sin' Эо
■In-
(14)
где Рр и Р, - соответственно начальное и текущее значений угла сдвига при
скоростях Vg и V,; с^ - коэффициент относительной толщины зоны сдвига.
Для случая обработки с переменной толщиной срезаемого слоя
предложена схема изменения положения условной плоскости сдвига,
учитывающая явление запаздывания пластической деформации в зоне контакта
стружки с передней поверхностью инструмента от скорости изменения
толщины срезаемого слоя (рис. 1, б).
Получена зависимость для расчета текущего значения угла сдвига Р,,
учитывающая его начальное значение PQ при толщине среза QQ И скорость а^
изменения толщины срезаемого слоя
^М-
1-е -In
Ро
''х-а-Ах^'
[a^ + a^-Az)
(15)
15
где Сд и Хд - коэффициенты, зависящие от скорости изменения толщины
срезаемого слоя.
Установлено, что запаздывание в изменении положершя плоскости сдвига
определяется временем, необходимым на изменение толщины среза на
величину, равную средней толщине слоя стружки, заторможенной в зоне
пластического контакта на передней поверхности инструмента.
Разработана модель для расчета параметров напряженного состояния
зоны контакта инструмента с деталью, учитывающая особенности развития
деформационных процессов при нестационарном резании как в зоне сдвига, так
и в пределах контакта стружки с передней поверхностью инструмента,
представленная на рис. 2.
ЛГ^
."
В, t Ц,
Рис. 2. Схема действия сил при изменешш упи сдвига
Получено выражение, связывающее напряжения сжатия р в зоне сдвига с
текущими значениями угла сдвига и касательных напряжений, а также
коэффициентом
относительной
толщины
зоны
стружкообразования,
непосредственно зависящим от ускорения резания:
Р», = т . 1 + 2
ГЭ1п1
1Щ
^
у
,ф.-1
"s,
с.
(16)
Установлено, что при нестационарном резании, в связи с изменением
угла сдвига в результате переменности скорости резания, возможна
минимизация угла между результирующей силой резания и условной
плоскостью сдвига, что приводит к снижению скоростной зависимости силы
резания при определенных значениях ускорения резания и скорости изменения
подачи инструмента.
В четвертой главе приведены
результаты экспериментальных
исследований обрабатывемости и фрикционного взаимодействия инструмента с
деталью при нестационарных режимах резания.
16
в начале главы обоснован выбор обрабатываемых и инструментальных
материалов,
описаны
методики
экспериментальных
исследований,
разработанные установки и аппаратура.
При исследовании параметров обрабатываемости и фрикционного
контактного
взаимодействия
использовали
труднообрабатываемые
конструкционные материалы пяти групп обрабатываемости по классификации
Я.Л. Гуревича, применяемые в авиастроении, энергомашиностроении и
производстве специзделий, обладающие существенно различным химическим и
структурно-фазовым составом, физико-механическими свойствами.
В качестве инструментальных материалов для исследований были
выбраны представители трех основных групп твердых сплавов: ВК4, ВК6,
В К 6 М , ВК8, В К Ю О М , В К Ю Х О М , Т15К6, ТТ8К6.
Разработан комплекс методического обеспечения и лабораторных
установок, использующий общую физическую модель локального контакта
единичной микронеровности инструментального материала с обрабатываемым
для определения прочностных, деформационных, диссипативных и
термоэлектрических
характеристик
контактного
взаимодействия
обрабатываемого и инструментального материалов.
В результате проведенных исследований впервые обнаружено
совпадение в аномальном поведении температурных зависимостей физикомеханических характеристик контактного взаимодействия: резкое снижение
сдвиговой прочности фрикционной (адгезионной) связи, минимум
пластичности контакта в зоне так назьгоаемого «предварительного смещения»,
резкое возрастание коэффициента диссипации энергии, а также инверсия
градуировочных
зависимостей
термопары
«резец-деталь»
в
зоне
высокотемпературной хрупкости (температуры «провала пластргчности»)
обрабатываемого материала. Установлено, что этим же температурам для всех
исследованных сочетаний материалов детали и инструмента соответствуют
оптимальные по критерию минимальной интенсивности износа инструмента
температуры резания, что позволило сделать заключение о том, что появление
оптимальных
температурно-ресурсных
зон эксплуатации
режущего
инструмента обусловлено прежде всего явлениями изотермического теплового
эффекта при фазовЕЛХ превращениях I и П рода в обрабатываемом материале,
идущих с поглощением механической энергии, подводимой к зоне контакта,
на
перестройку
кристаллической
решетки
приконтактных
слоев
обрабатываемого материала и снижение доли энергии, поступающей в
инструментальный материал и идущей на накопление его внутренней энергии,
повреждаемость и разрушение в виде износа. Установлено, что
инструментальный материал, в силу различного химического сродства и
различного фрикционного взаимодействия с обрабатываемым, изменяет
17
соотношение кинетических характеристик структурно-фазовых превращений
в обрабатываемом материале, способствуя изменению температуры минимума
контактной пластичности и оптимальной температуры резания.
Проведены
исследования
влияния
внутренней
и
внепшей
нестационарности на составляющие силы резания и температуру резания при
точении на станке с У Ч П У
по управля}01цим программам, позволяющим
осуществить непрерывное изменение скорости резания, подачи инструмента и
глубины резания со скоростями, различными как по величине, так и по знаку.
Диапазон и скорюсти изменения элементов режима резания определялись на
основании предварительных экспериментов с учетом габаритных размеров и
технологических требований к типовым деталям Г Т Д .
Впервые установлено, что зависимость силы резания Р, от скорости
резания (рис. 3) и подачи инструмента при нестационарном резании аналогична
закономерностям стационарного процесса, но ускорение резания а^ и скорость
изменения подачи as оказывают самостоятельное, непосредственное влияние на
силу резания. Скорость изменения глубины резания а, самостоятельного
влияния на Pz не оказывает. Подача инструмента и скорость ее изменения в
большей степени влияют на Р^, чем скорость и ускорение резания. Обработка с
непрерывным
меньший
изменением скорости и подачи инструмента
уровень
силовых
зависимостей,
чем
обеспечивает
стационарная
обработка,
вследствие запаздывания в снижении угла сдвига, сокращения размеров зоны
первичных пластических деформаций при опережающем перемещении главной
режущей кромки резца по отношению к наружной (свободной) поверхности
зоны
сдвига,
снижения
увеличения
напряжений
интенсивности
сдвига
поверхностях инструмента.
ПкИ
320
300
380
3«0
340
-41
0.5
1
К
и
изменения
удельных
угла
нагрузок
сдвига d^ldV,
на
контактных
i
0.07
а-,гЛ
_1
0.83
\~
1.0
V, М.С
04
0^7
0,S3
1,0
^ ^^
Рис. 3. Влияние скорости и ускорения резания на силу резания при точении
сплава ХН73МБТЮ резцом ВК8 (5=0,1 мм/об, /=0,5 мм):
О - а,~0 м/мин^; А - а, = 0,9 м/мин^, О - д^ = 3,6 м/мин^;
и -а, = 2,7 м/мин^; V - а, = 6,0 м/мин^
18
Внутренняя
нестационарность
процесса
резания,
связанная
с
необратимым р о с т о м фаски износа инструмента по задней поверхности и
увеличения п р и э т о м с и л ы резания, м о ж е т б ы т ь ч а с т и ч н о скомпенсирована за
счет у с к о р е н и я резания, с н и ж а ю щ е г о составляютцую с и л ы Pi, д е й с т в у ю щ у ю на
переднюю поверхность инструмента.
Впервые
установлено,
что
ускорение
резания
(рис.
4),
скорости
изменения подачи и г л у б и н ы резания оказывает непосредственное влияние на
среднюю температуру резания, с н и ж а я и н т е н с и в н о с т ь
положительных
, а,
, и
отрицательньпс ускорениях по сравнению
со
обработки,
значениях
ау,
ag
замедляя
ее нарастания
ее
при
снижение
стационарными
при
режимами
вследствие известной инерционности т е п л о в ы х процессов п о
о т н о ш е н и ю к скорости изменения и н т е н с и в н о с т и и с т о ч н и к о в т е п л а ; с н и ж е н и я
силовой
нагруженности
зоны
резания
при
нестационарных
режимах
у м е н ь ш е н и я интенсивности тепловыделения к а к в зоне сдвига, т а к и
и
на
контактных поверхностях инструмента; у в е л и ч е н и я коэффициента теплоотдачи
по задней поверхности инструмента;
контакта теплом з о н ы первичных
с н и ж е н и я эффекта
подогрева
деформаций; с о к р а щ е н и я
зоны
эффективной
г л у б и н ы проникновения тепловой энергии в п р и к о н т а к т н ы е слои инструмента
и относительного с н и ж е н и я их о б ъ е м н о й т е м п е р а т у р ы с ростом у с к о р е н и я и
эквивалентного е м у сокращения времени контактирования в пределах передней
и задней поверхности инструмента.
IKK
Рис. 4. Влияние скорости
резания на температуру резания
при точении сплава Х Н 7 3 М Б Т Ю
резцом
ВК8
с
различными
ускорениями
резания
(5=0,1
мм/об; /=0,5 м м ; Л , = 0,1 мм)'
1050
1000
930
900
в.к
-^
<^
г
>0
1030
1000
950
900
О
Г" 1
'
30
На
-а,-Ом/мин^;
Д - а , = ± 0,9 м/мин';
D -flv= ± 2,7 м/мин",
^v о
40
основе
50
О - а„ = ±3,6 м/мин'^;
60
V - а , = ±6,0м/мин^
v.ataira
теплофизического
анализа
с
использованием
метода
источников тепла сделано з а к л ю ч е н и е о роли з а т о р м о ж е н н о й з о н ы п а передней
поверхности
инструмента,
саморегулирующейся
системы, в
как
термодинамически
пределах
которой
устойчивой,
изменение
внешнего
воздействия самопроизвольно тормозится в результате процессов внутреннего
19
трения и снижения интенсивности тепловыделения до минимального уровня
при определенных значениях ускорения резания.
В пятой главе проведен анализ влияния элементов режима резания на
составляющие уравнения баланса диссипативных функций.
При этом, в соответствии с системным подходом к процессу резания как
объекту управления, рассматривались отдельно факторы внутренней
нестационарности вследствие необратимого роста износа инструмента,
внешней нестационарности при функционально изменяемых режимах
обработки, и их совокупное влияние.
При точении с переменной скоростью резания интенсивность нарастания
механической нафуженности зоны резания (vj/^,) зависит от величины и знака
ускоренияflvрезания. Впервые установлено, что существует некое оптимальное
значение положительного ускорения резания, обеспечивающее наименьший
уровень затрат удельной механической энергии в диапазоне рациональных
скоростей резания. Обработка с отрицательным ускорением не оказывает
существенного влияния на уровень энергетической нагруженности зоны
резания по сравнению со стационарным режимом резания.
При точении с переменной подачей инструмента энергетическая
нагруженность зоны резания изменяется немонотонно; установлен эффект
стабилизации vj/^ при достижении определенного критического значения
подачи, связанного с опережающим влиянием интенсивности нарастания
износа инструмента по сравнению с увеличением длины пятна контакта
стружки с передней поверхностью резщ.
Рассмотрено влияние скорости резания и фаски износа инструмента на
ДФ механической и тепловой энергий на задней поверхности инструмента
(рис. 5). Удельные затраты механической энергии с увеличением скорости
резания и фаски износа инструмента возрастают, но при переходе в зону
катастрофического (h^ =0,6 мм) износа интенсивность нарастания Ц) падает.
Д Ф рассеиваемой тепловой энергии имеет более сложную скоростную
зависимость, основной тенденцией которой является сближение v|/
и ф^ в
диапазоне средних скоростей (температур) резания и значительное отклонение
при высоких скоростях, тем большее, чем выше износ инструмеипга.
Необратимость
диссипативных
прюцессов
обеспечивается
соответствующими потоками энтропии. В связи с этим произведены расчеты
скорости производства энтропии S'
=1/0-ц/
от действия внешних сил и
скорости ее изменения, обусловленной тепловыми процессами 5 1 - 1/в ■ Щ^
20
Ч/эХЮ , ныс
Ч'.^хЮ* НЛйс
0,33
о;я
о,}
ofij 0^3
1,0
0,5
ОА?
0,83
V.isic
v,u/t
Рис. 5 Влияние скорости резания на диссипативные функции механической
Tj? „ (о) и рассеиваемой тепловой Y^/ (А) энергий при различных фасках износа
инструмента (ХН73МБТЮ-ВК8): а - % = 0,2 мм; б - Лд = 0,6 мм
при различных
фасках
износа
A3
и скоростях
резания.
Графическим
представлением уравнения баланса диссипативных функций в форме скоростей
изменения энтропии являются зависимости S'p = f{S'^),
на которые пунктиром
нанесены линии полной трансформации механической энергии в тепловую при
условии S'p= S'lj . Общей для полученных зависимостей является тенденция
стремления к максимально полной трансформации iS'p=S'j)
механической
энергии в тепловую при определенгп^гх критических значениях SL
Наиболее значимой и сложной является зависимость
и
S'^i .
5'р(5'^) для задней
поверхности инструмента, представленная на рис. 6.
Полученная зависимость
существовании
SL (S'j )
позволяет сделать заключение о
энергетически оптимальной зоны эксплуатации
режущего
инструмента (зона П на рис. 6) в пределах которой наблюдается наиболее
полная диссипация механической энергии в тепловую и отвод ее из зоны
контакта термопластически деформированным
обработанной
поверхности
детали.
приконтактным
Указанная
зона
слоем HQ
ограничена
снизу
оптимальной температурой резания QQ. Верхняя температурная граница в
соответствии
с
работами
Т.Н. Лоладзе,
по-видимому,
соответствует
21
S'^ х 1 0 ' , Н / м с К
550
500
i
450
S
и
400
350
U"
300
250
200
^''"'"^
150
100
L/V'i 1
.'-'
50
100
150
1
I
1
1 и
200
1
inij
250
S'jXlO'.H/мсК
Рис 6. Зависимость между механической S' и тепловой S^ составляющими
скорости производства энтропии для задней поверхности инструмента при различных
значениях v и А, (ХН73МБТЮ-ВК8)
температуре потери формоустойчивости задней поверхности инструмента и
может быть связана с началом интенсивного диффузионного износа режущего
инструмента.
Минимизация
интенсивности
износа обеспечивается в узком
оптимальном диапазоне температур контакта за счет максимальной
трансформации подводимой к зоне контакта механической энергии в тепловую
вследствие совокупного влияния предельной локализации энергии в
приконтактных слоях обрабатываемого материала при эндотермических
структурно-фазовых превращениях и максимально быстрого се отвода от
контактньлх поверхностей инструмента за счет увеличения сплошности и
снижения
до
минимального
значения толщины
термопластически
деформированного слоя обрабатываемого материала.
В
качестве
параметров,
характеризующих
термодинамические
структурно-чувствительные
свойства
контактирующих
материалов,
отражающих физико-химическую природу процессов, протекающих в
деформируемых локальных объемах, предложено использовать относительные
безразмерные критерии:
коэффициент трансформации энергии %
Vd
характеризующий
V»
способность обрабатываемого материала необратимо превращать затраченную
22
механическую энергию в тепловую;
- коэффициент
способность
поглощения
изнашиваемого
энергии
^f
5=
инструментального
поглощать затраченную энергию.
Таким
образом,
критериальном виде
уравнение
баланса
V,
характеризующий
материала
диссипативных
необратимо
функций
Х(х)+б(т)=1.
в
(17)
Зависимости х(в) при различных вариантах нестащюнарного резания
представлены на рис. 7. Общей закономерностью ^(6)
является наличие
минимума (стремление к единице) при определенных температурах резания и
преимущественное
влияние
положительных
ускорений
резания
на
минимальное значение х(в).
0,99
700
800
900
1000
1100 0 „ К
Рис. 7. Влияние температуры резания, модифицированной по скорости
деформации, на коэффициент трансформации механической энергии в тепловую при
различных ускорениях резания: ХН73МБТЮ - В К 8 (5 = 0,1 мм/об; t - 0,5 мм)
О - с, = О м/мин^; А - а, = 0,9 м/мин^; О -а^ = 2,7 м/мин^;
О - а„ = 3,6 м/мин^; V - а, = -6,0 м/мин^
Таким образом, на основе анализа синхронизма механических и тепловых
явлений установлено существование оптимальных температурно-ресурсных
зон эксплуатации режущих инструментов, в пределах которых наблюдается
максимально полная трансформация и диссипация механической энергии из
зоны
контакта
инструмента
с
деталью,
чем
обеспечивается
снижение
термодинамической нагруженности приконтактных слоев инструмента.
Обеспечение
и
угфавление
таким
состоянием
изнашиваемых
23
поверхностей инструмента может быть достигнуто за счет выбора диапазона
элементов режима резания и определенной оптимальной скорости их
изменения в процессе резания.
В шестой главе рассмотрены методы интенсификации нестационарного
резания по термодинамическим условиям минимизации интенсивности износа
инструмента; предложены способы ускоренного определения оптимальных
режимов нестационарного резания, технологические рекомендации по
рациональным режимам обработки жаро- и особопрочных конструкционных
материалов.
В результате стойкостных экспериментов установлено (рис. 8), что
зависимость интенсивности износа инструмента от скорости резания для
нестахщонарного точения имеет экстремальный характер, так же, как и для
стационарной обработки. Причем для нестационарного точения минимум h^
наблюдается при скоростях резания, несколько больишх, чем для
стационарного точения. Это в работе объясняется запаздыванием процесса
тепловыделения при пластической деформации, снижением силы резания и
изменением условий формоустойчивости режущего клина.
Показано, что
зависимость
интенсивности
износа
инструмента от
температуры резания имеет минимум при температуре 9^^^, которая не зависит
от знака и величины ускорения резания, скоростей изменения подачи и
глубины резания и совпадает с 9„^ при стационарном точении.
Определена область минимального производства энтропии (рис. 9) в виде
температурного диапазона, нижняя граница которого совпадает с температурой
максимума релаксационных процессов в модифицированном приконтактном
слое обрабатываемого материала, а верхняя обусловлена потерей
формоустойчивости режущей кромки инструмента. Установлено, что нижняя
телшературная граница (оптимальная температура резания) инвариантна к
изменению режима обработки и является физической константой для сочетания
материалов детали и резца, а величина верхней температурной фаницы
снижается при возрастании общего уровня механической нафуженности
контакта инструмента с деталью.
Получено условие минимизации интенсивности износа за счет назначения
оптимального темпа изменения скорости резания при минимуме производства
энтропии на задней поверхности инструмента, на оснований чего предложен
способ ускоренного определения оптимального режима нестационарного
резания (патент Р Ф № 2207935).
При этом алгоритм для расчета оптимального ускорения резания по мере
роста пути / 1эезания представлен в виде зависимости
24
£,mV
e.K
noo
- -1050
-1000
24
- 950
6
■
-
1
30
40
50
60
70
05
0, 57
0,83
1,0
u
V, М/МИ
V, м/с
Рис. 8. Влияние скорости и ускорения резания на интенсивность износа
инструмента и температуру при точении сплава ХИ73МБТЮ резцом ВКбМ:
о -ау~0 м/мин^; Д - (3„ = 12,4 м/мин^: D - а, - -12,4 м/мин^; О - а„ = 3,6 м/мин^
а =' '^/
-Ць{И,+сУАв^-С,^^^
-v„-/
(18)
Для более общего случая из условия сохранения баланса ДФ
интенсивность изменения скорости резания, компенсирующая увеличение силы
резания и теплосодержания в зоне резания при росте фаски износа (условие
термодинамического равновесия), составит
dhiv _ х - 1 я',+д.
4N
ч'Л^-^/^)
?^(X-l)
(19)
где Z - показатель степени в зависимости Р^{у); (J'F ^ Яы ' средние
удельные касательная и нормальная нагрузки на задней и передней
поверхности инструмента; А - длина контакта детали с задней поверхностью
при нулевой фаске износа.
Результаты экспериментальной проверки зависимости (19) представлены
на рис.10, показывающем, что в случае управляемой вариации скорости
резания для оптимального температурного диапазона е„„^ - 9^, период
25
Рис 9. Влияние температуры на
задней поверхности на скорость
производства энтропии в приконтактном слое инструмента и
интенсивность его износа при
точении сплава ХН73МБТЮ резцом
ВК8
(5=0,097 мм/об, f=0,5 мм)
стойкости инструмента Т может быть увеличен в 2 раза при сохранении
средней скорости резания, или в 1,5-2 раза повышена производительность
обработки при постоянном значении пути / резания до критерия затупления
Aj<0,5 мм.
Для группы жаропрочных сплавов на никелевой основе определены
оптимальные значения к^ в зависимости от содержания в сплаве упрочняющей
у'-фазы. Лабораторная и промышленная проверки на операциях токарной с
ЧПУ обработки дисков и валов П'Д ряда изделий авиадвигателестроения
показали возможность повышения средней скорости резания на 15-20% и
сокращения расхода инструмента на 25-30% по сравнению с отраслевыми
нормативами.
Предложены методы и алгоритмы управления процессом обработки на
станках с ЧПУ и мехатронных станочных системах за счет регулирования
режима резания с оптимальной интенсивностью его изменения по мере роста
износа инструмента из условия наиболее полного термодинамического
равновесия силовых и тепловых процессов на изнашиваемой поверхности.
Для обоснования эффективности нестахщонарного точения разработана
методика и проведен расчет основных технико-экономических показателей
обработки с уче^юм переменности элементов режима резания, подтвердившие
возможность снижения себестоимости обработки при точении с оптимальной
интенсивностью изменения скорюсти резания.
26
1/в.К
10 20 30 40 30 во К ы1шш
а
Рис. 10. Влияние скорости (а) и температуры (6) на параме1ры
обрабатываемости при стационарном (О) и нестационарном (Д) режимах резания
сшшваХН73МБТК) резцом ВК8 (S= 0,11 мм/об; Г = О, 5 мм)
Разработаны и внедрены в производство технологические рекомендации
по рациональным режимам обработки жаропрочных сплавов на никелевой
основе, комплекс справочных данных по режимам резания и инструменту для
автоматизированных
модулей
механообработки
труднообрабатываемых материалов.
деталей
из
Основные в ы в о д ы и результаты
Проведенный комплекс исследований позволил выполнить теоретическое
обобщение
и
описание
физического
и
феноменологического
механизма
взаимодействия и синхронизма механических и тепловых явлений в зоне
контакта
инструмента
с деталью, определяющего
условия
минимизации
интенсивности износа инструмента, и решить важную научную проблему
разработки термодинамических
интенсификации
принципов
нестационарной
труднообрабатываемых
материалов
обеспечения управляемости
лезвийной
для
эксплуатации мехатронных станочных систем.
обработки
повышения
деталей
и
из
эффективности
1. Впервые на основе структурно-энергетического анализа лезвийной
обработки
с
использованием
положений, термодинамики
неравновесных
27
процессов получено аналитическое описание пределыюго состояния
материалов детали и инструмента в основных зонах упругопластической
деформации при резании в виде уравнения баланса диссипативных функций
затраченной (механической) энергии, тепловыделения при пластической
деформации и изнашивании инструмента, позволяющее проводить
качественную и количественную оценку удельной механической и тепловой
нафуженности приконтактных слоев инструмента для определения условий ei о
высокой работоспособности.
2. Разработан комплекс методического обеспечения и лабораторных
установок, использующих общую физическую модель локального контакта
единичной микронеровности инструментального материала с обрабатываемым,
с имитацией температурно-силового режима фрикционного взаимодействия
при резании металлов для определения прочностных, деформационных,
диссипативных
и
термоэлектрических
характеристик
контактного
взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов.
3. Предложены модели для расчета параметров напряженнодеформированного состояния зош>1 стружкообразования с учетом запаздывания
в изменении интенсивности пластических деформаций в зоне сдвига по
отношению к скорости изменения элементов режима резания. Показана
возможность снижения напряжений сдвига, удельных нагрузок на контактных
поверхностях инструмента, возмущений упругой системы станка вследствие
увеличения угла наклона условной плоскости сдвига, снижения среднего
коэффициента трения и размеров зоны пластической деформации на передней
поверхности инструмента при определенных значениях ускорения резания и
скорости изменения подачи.
4. Впервые установлено совпадение в аномальном поведении
темлературных зависимостей физико-механических характеристик контактного
взаимодействия: резком снижении сдвиговой прочности фррпщионной
(адгезионной) связи, минимуме пластичности контакта, возрастании
коэффициента диссипации энергии, инверсии градуировочных зависимостей
термопары «резец-деталь»
в зоне высокотемпературной хрупкости
обрабатываемого материала. Установлено, что этим же температурам
соответствуют оптимальные по критерию минимальной интенсивности износа
инструмента температуры резания, что обусловлено прежде всего явлениями
изотермического теплового эффекта при фазовых превращениях I и I I рода в
обрабатываемом материале, идущими с поглощением механической энергии,
подводимой к зоне контакта, снижением доли энергии, расходуемой,
повреждаемость и износ инструмента. Инструментальный материал влияет на
соотношение кинетических характеристик деформации и структурно-фазовых
превращений в обрабатываемом материале, способствуя изменению
28
температуры экстремума контактных параметров и оптимальной температуры
резания.
5. Впервые установлено, что ускорение резания и скорость изменения
подачи оказывают непосредственное влияние на силу резания и среднюю
температуру резания, снижая интенсивность их нарастания при положительных
и замедляя снижение при отрицательных значениях а^ и а^ по сравнению со
стационарными режимами обработки, что связано как с инерционностью
тепловых процессов по отношению к скорости изменения интенсивности
источников тепла, так и с изменением параметров НДС.
Внутренняя нестационарность процесса, связанная с необрагимым ростом
износа инструмента, может быть полностью или частично скомпенсирована за
счет выбора оптимальной величины скорости изменения элементов режима
резания, при этом изменение температуры наиболее эффективно
компенсируется ускорением резания, а силы резания - скоростью изменения
подачи инструмента.
6. Впервые на основе количественного анализа скоростей производства
энтропии и ее отвода из зоны контакта термопластически дефомированными
слоями обрабатываемого материала установлено существование оптимальных
температурно-ресурсных зон эксплуатации режущих инструментов, в пределах
которых наблюдается максимально полная трансформация и диссипация
механической энергии из зоны контакта инструмента с деталью, чем
обеспечивается снижение термодинамической нагруженности приконтактных
слоев инструмента- Доказано, что обеспечение и управление таким состоянием
ринашиваемых поверхностей инструмента достигается за счет выбора
диапазона элементов режима резания и определенной оптимальной скорости их
изменения в процессе резания.
Установлено, что нижняя температурная граница (оптимальная
температура резания) инвариантна к изменению режима обработки и является
физической константой для сочетания материалов детали и резца, а величина
верхней температурной границы, связанная с потерей формоустойчивости
режутцей кромки инструмента, снижается при возрастании общего уровня
механической нагруженности зоны резания.
7. Разработаны ускоренные расчетно-экспериментальпые методы
определения обрабатываемости (патент РФ № 2247963), оптимальных режимов
нестационарного резания (патент РФ №2207935), подачи инструмента и
режущей способности инструментального материала (а.с. №№1386373, 324389,
1419296,293378), позволяющие существенно сократить сроки технологической
подготовки производства при освоении новых конструкционных материалов и
повысить точность рекомендаций по оптимальньп^ режимам обработки и
уставкам для САУ процесса резания.
29
8. Предложены и реализованы новые методы повышения эффективности
мехатронных станочных систем за счет увеличения износостойкости
инструмента, производительности и экономичности обработки, заключающиеся
в задании начального уровня режима резания в пределах установленного
оптимального температурного диапазона и алгоритмов изменения режима
обработки из условия максимально полного равновесия (синхро1Шзма)
механических и тепловых процессов в зоне резания. Разработаны
технологические рекомендации по рациональным режимам нестационарного
резания для основных групп труднообрабатываемых материалов и отдельно для жаропрочных сплавов на никелевой основе с учетом известных
варьируемых условий обработки. Практическая реализация результатов
исследований осуществлена как путем внедрения на машиностроительных
предприятиях конкретных практических рекомендаций по оигимальным
режимам обработки и инструменту, так и в виде информационного обеспечения
автоматизированньпс модулей механообработки в международной сети
инжиниринговых центрюв по комплексной автоматизации и созданию
интегрированных проектно-производственных систем.
Всего по теме диссертации опубликовано 67 работ, в числе которых
следующие публикации, отражающие основные научные и практические
результаты:
1. Постнов В.В. Исследование закономерностей нестационарных процессов
резания // Вестник УГАТУ. Науч. журнал. №2. Уфа: У1 АТУ, 2000.
С. 203-207.
2. Постнов В.В. Термодинамические критерии оценки температурносилового нагружения зоны контакта инструмента
с деталью //
Технология машиностроения, 2005. № 4(34). С. 8-11.
3. Постнов В.В. Термодинамические принципы обеспечения управляемое!и
процесса резания // Вестник УГАТУ. №6(12). Уфа, 2005. С. 98-106.
4. Постнов В.В. Термодинамические условия образования оптимальных
температурно-ресурсных зон эксплуатавди режущего инструмента //
Приводная техника, 2005. №4. - С. 18-22.
5. Постнов В.В. Термодинамические аспекты обрабатываемости резанием
жаропрочных никелевых сплавов // Известия вузов. Машиностроение,
2005. № 9. С. 47-49.
6. Постнов В.В., Шолом В.Ю., Шустер Л.Ш. Методы и результаты оценки
контактного
взаимодействия
применительно
к
процессам
металлообработки. М.: Машиностроение, 2004. 103 с.
7. Макаров В.Ф., Касимов Л.Н., Постнов В.В. Автоматизация расчета
протяжного блока для обработки замков турбинных лопаток // Станки и
инструмент, 1980. Хо I . e . 15-16.
30
8. Батыев А . Ш . , Постнов В.В.Исследование влияния условий пластического
деформирования сплава
ВТ9
на его контактное
взаимодействие
с
твердым сплавом В К 8 // Трение и износ. Минск: Наука и техника, 1982.
Т о м З , № 6 . С . 1332-1334.
9. Постнов
В.В.,
Исаева
О.Г.
Исследование
температурно-скоростных
зависимостей для ускоренного определения обрабатываемости деталей
ГТД//Авиационная промышленность, 1986. № 1 . С. 27-28.
10 Шустер Л . Ш . , Постнов В.В. Влияние элементов режима резания на
температурно-скоростные
условия
пластической
деформации
обрабатываемого материала // Технология машиностроения. №6(24).
2003. С. 16-20.
И.А.с.
№
1211640 С С С Р . Способ определения оптимальной скорости
резания при обработке материала / Канзафаров Р . С , Янбухтин P.M.,
Постнов В.В. (СССР). - № 1211640. Опубл. 29.01.85.
12 А.с. №1386373 СССР. Способ определения допустимой подачи при
токарной обработке / Постнов В.В., Садыгов Т.И., Кривошей В . М . ,
Гасанов К.А., Бакаров Б.С. ( С С С Р ) . №1386373. Опубл. 07.04.88, Б ю л .
№13.
13.Л.С. №1430181 СССР.
Способ
определения
оптимальной
скорости
резания при сверлении / Дмитриев А . С , Постнов В.В., Никин А.Д.,
Антонова Л . В . ( С С С Р ) № 1430181. Опубл. 15.10.88,Бюл. №38.
14. Пат. №2247936 Р Ф . Способ ускоренного определения
оптимальных
режимов нестационарного резания / Постнов В.В., М и ф а н о в
Шарапов Е.А. ( Р Ф ) . - № 220793. Опубл. - 10.2003, Б ю л . № 19
М.Ш.,
15 Пат. № 2247936 Р Ф . Способ оценки обрабатываемое га / Постнов В.В.,
Шарапов Е.А., Паршина М.В. ( Р Ф ) . - № 2247936. Опубл. 2005, Б ю л . № 7.
16. Постнов В.В., Шарипов Б.У., Шустер Л . Ш . Влияние температуры на
механические характеристики контакта // Вопросы оптимального резания
металлов: Межвуз. науч. сб. В ы п . 1. Уфа: У А И , 1976. С. 87-91.
17 Постнов
В.В.
К
методике
изучения
динамики
процесса
межмолекулярного взаимодействия // Вопросы оптимального резания
металлов: Межвуз. науч. сб. В ы п . 1. Уфа: У А И , 1976. С. 122-125.
18 Постнов В.В.
Исследование тепловых зон хрупкости
фрикционного
контакта // Оптимизация процессов резания жаро- и особопрочных
материалов: Межвуз. науч. сб. В ы п . 5. Уфа: У А И , 1981. С.78-83.
19. Доброрез А.П., Постнов В.В. Роль структурно-энергетических процессов
в образовании оптимальных температурно-ресурсных зон эксплуатации
режущего инструмента // Оптимизация процессов резания жаро- и
особопрочных материалов: Межвуз. науч. сб. Уфа: У А И , 1986. С. 3-5.
31
20 Янбухтин P.M., Канзафаров Р.С., Постнов В.В. О некоторых физических
причинах изменения интенсивности вибрационных явлений при резании
жаропрочных материалов // Оптимизация процессов резания жаро- и
особопрочных материалов: Межвуз. науч. сб., - Уфа: У А И , 1988. С. 85-90.
21. Постнов В.В.,
характеристики
Карюгина
локального
Л.В,
Бахтияров
Б.М.
фрикционного
Термоэлектрические
контакта
// Оптимизация
процессов резания жаро- и особопрочных материалов: Межвуз. темат.
науч. сб. Уфа: У А И , 1989. С. 149-152.
22. Постнов В.В., Шарипов Б.У., Шустер Л . Ш . Процессы на контактных
поверхностях, износ режущего инструмента и свойства обработанной
поверхности: Учеб. пособие. Свердловск: Изд-во Урал, ун-та, 1988. 224 с.
23. Шустер Л . Ш . , Постнов В.В. Установка У О М И М для ускоренного выбора
оптимальной
условиях
марки
инструментального
адгезионного
износа
материала,
работающего
// Научно-технические
Межотрасл. науч.-техн. сб. В ы п . 2. М.: В И М И , 1990. С. 3-5.
в
достижения:
24. Зориктуев В.Ц., Шустер Л . Ш . , Постнов В.В., Дерябина С.А. Режимы
лезвийной обработки деталей Г Т Д : Учеб. пособие. - Уфа: У А И , 1991. 90с.
25. Зориктуев В.Ц., Латыпов P.P., Постнов В.В., Никин А.Д. Диагностика
состояния рюжущего инструмента в автоматизированном производстве:
Учеб. пособие. Уфа: У Г А Т У , 1994. 58 с.
26. Зориктуев В.Ц., Постнов В.В. Физические и математические модели
процессов контактного взаимодействия для управляемых
станочных
систем // Новые технологии в машиностроении: Международн. конф. Харьков, 1994. С. 25-28.
27. Постнов В.В. Математические модели изнашивания инструментов при
нестационарном
точении
// Технология
механообработки:
физика
процессов и оптимальное управление: Тр. Международн. иауч.-тсхнконф. Ч 1. Уфа: У Г А Т У , 1994. С. 96.
28. Зориктуев В.Ц., Постнов В.В., Мигранов М . Ш . Круглов О.А. Управление
интенсивностью износа режущего инстрзтусента при нестационарном
точении // Вестник Верхневолжского отд. Акад. техн. наук Р Ф . Рыбинск:
Р Г А Т А , 1995. С. 51-52.
29. Постнов В.В. Исследование стружкообразования
резании // Автоматизированные технолог, и
при нестационарном
мехатронные системы в
машиностроении: Сб. науч. тр. - Уфа: У Г А Т У , 1997. С.39-43.
30. Зориктуев
В.Ц.,
Постнов
В.В.,
Мигранов
М.Ш.
Исследование
электропроводимости контакта инструмент - деталь ( Э П К И Д ) при
нестационарном точении // Проблемы машиноведения конструкционных
материалов и технологий: Сб. науч. тр. Уфа: Гилем, 1997. С. 18-21.
32
31. Постнов
В.В.
Структурно-энергетический
анализ
процесса
нестационарного точения // Автоматизированные технол. и мехатронные
системы: Сб. науч. тр. 4.2. Уфа: У Г А Т У , 1998. С. 48-52.
32. Постнов В . В . Динамика износа контактных поверхностей режущего
инструмента // Оптимальное управление мехатронными станочными
системами: С б . науч. трудов. Ч 2. У ф а : У Г А Т У , 1999 С . 17-23.
33. Мигранов М . Ш . , Постнов В . В . , Ш у с т е р Л . Ш . Управление движением при
нестационарном точении // Н о в ы е технологии управления движением
технических объектов: М а т е р и а л ы Ш Международной науч.-техн. конф.
Т. 4, Новочеркасск, 2000. С . 115-118.
34. Шустер Л . Ш . , Постнов В . В . , Мигранов М . Ш . , Шарапов Е.А.
Особенности напряженного состояния зоны контакта инструмента с
деталью при нестационарных режимах обработки элементов Г Т Д //
Механика и прочность авиационных конструкций: Всеросс. науч.-техн.
конф. Сб. тр. Уфа: У Г А Т У , 2001. С. 39-42.
35. Постнов
В.В.
Модель
формоизменения
режущего
инструмента
//
Интеллектуальные мехатронные станочные системы: Сб. науч. тр. Уфа:
У Г А Т У , Р И О БашГУ, 2003. С. 23-28.
36. Постнов
В.В.,
Шарапов
Е.А.,
Паршина
М.В.
Определение
обрабатываемости по температурно-силовым зависимостям
процесса
механообработки // Интеллектуальные мехатронные станочные системы:
Сб. науч. тр. Уфа: У Г А Т У , Р И О Б а ш Г У , 2003. С. 61-63.
37. Зорикгуев В.Ц., Постнов В . В . , Шарапов Е.А. Термоактивационные
модели в системах управления процессом нестационарного резания //
Интеллектуальные мехатронные станочные системы: С б . науч. тр. У ф а :
У Г А Т У , Р И О Б а ш Г У , 2003. С . 54-60.
38- Постнов В . В . Термодинамические условия минимизации интенсивности
износа инструмента // Оптимизация и управление процессом резания,
мехатронные станочные системы: Сб. науч. тр Уфа: Р И О Б а ш Г У , 2004.
С.47-56.
39. Зорикгуев В.Ц., Постнов Б . В . , Паршина М . В . Термодинамическое
описание контактных процессов при нестационарном резании //
Динамика технологических систем: Сб. науч. тр. Саратов: С Г Т У , 2004.
С. 23-25.
ПОСТНОВ Владимир Валентинович
Интенсификация нестационарного резания труднообрабатываемых
материалов на основе оптимизации термодинамических условий
изнашивания режущего инструмента
Специальность 05.03.01 - «Технологии и оборудование
механической и физико-технической обработки»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Подписано к печати 19.10.05. Формат 60x84 1/16.
Бумага офсетная. Печать плоская.
Усл. печ.л. 2,0. Усл. кр.-отт. 2,0. Уч.-изд.л. 1,9.
Тираж 100 экз. Заказ № 466.
ГОУВПО «Уфимский государственный авиационный технический
университет»
Центр оперативной полиграфии
450000, Уфа-центр, ул. К.Маркса, 12
|I2 о 5 о t
РНБ Русский фонд
2006-4
22846
1
i,
•Ж
Ji
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
1 677 Кб
Теги
bd000102645
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа