Разработка физической модели суставчатого стружкообразования как основы мониторинга и управления процессом обработки резанием труднообрабатываемых и других материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Виноградов, Денис Олегович

• Виноградов, Денис Олегович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Виноградов, Денис Олегович

Введение.

Глава 1. Обзор публикаций по проблеме и постановка задачи.

1.1. Обработка резанием жаропрочных материалов.

1.2. Обработка материалов с высокой твердостью.

1.3. Существующие модели процесса суставчатого стружкообразования.

Глава 2. Разработка физической модели суставчатого стружкообразования.

2.1. Базовые представления о процессе деформирования.

2.2. Базовая модель резания.

2.3. Физическая модель суставчатого стружкообразования.

2.4. Выводы.

Глава 3. Исследование адекватности условий суставчатого стружкообразования температурному критерию стойкости по А.Д. Макарову.

3.1. Сопоставление существующих данных.

3.2. Эксперимент 1: Обработка при оптимальной температуре резания.

3.3. Эксперимент 2: Обработка в диапазоне изменений условий резания.

3.4. Выводы.

Глава 4. Анализ адекватности модели суставчатого стружкообразования экспериментальным данным.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка физической модели суставчатого стружкообразования как основы мониторинга и управления процессом обработки резанием труднообрабатываемых и других материалов»

В современном производстве всё более актуальным становится автоматизированный мониторинг (контроль, наблюдение) и управление процессом обработки резанием с целью обеспечения выполнения заданных требований технологического процесса. Эти требования связаны с повышением точности обработки и качества поверхностного слоя обработанной детали, удобством удаления образующейся стружки при высокой производительности. Современные инструментальные материалы позволяют при достаточной стойкости инструмента обеспечивать выполнение этих требований при высоких скоростях резания. Естественно, что абсолютные значения скоростей при этом существенно различаются для разных материалов - они значительно меньше для труднообрабатываемых материалов.

В процессе лезвийной обработки с увеличением скорости резания, наряду с остальными параметрами, изменяется характер стружкообразования. При достижении некоторой скорости резания сливная стружка приобретает четко выраженное элементное строение. Значение этой скорости зависит от совокупности всех исходных параметров процесса резания .

Образующаяся при этом стружка имеет пилообразную форму. (Поскольку на данный момент не существует общепринятого устоявшегося названия, в дальнейшем будем называть ее суставчатой.) Данная стружка разительно отличается от элементной стружки, которая наблюдается при низких скоростях резания, предшествующих сливному стружкообразованию. Суставы стружки, образующейся при некоторой скорости, соответствующей преобразованию сливной стружки, значительно мельче, имеют сравнительно одинаковую форму и размеры и прочно связаны друг с другом сильно деформированным слоем между суставами и тонким слоем вдоль контактной поверхности стружки. Внутри сустава материал деформирован сравнительно слабо. Толщина слоя между суставами при увеличении скорости резания уменьшается, и связь между ними исчезает. Стружка при этом теряет сплошность и сходит в виде отдельных фрагментов - образуется элементная стружка.

Очевидно, что при изменении характера стружкообразо-вания изменяются и остальные выходные параметры системы. Элементность стружки приводит с одной стороны к ухудшению качества поверхностного слоя и обработанной поверхности, увеличению интенсивности износа инструмента, а с другой -улучшает условия стружкодробления.

Возникает актуальная проблема управления процессам резания с целью получения заданного типа стружки в зависимости от требований технологического процесса. При высоких требованиях к качеству поверхностного слоя или при необходимости снижения расхода инструментального материала обработку следует вести с получением сливной стружки. В условиях автоматизированного производства, где существенным является вопрос удаления стружки из зоны резания, желательным становится получение элементной стружки.

Исторически первоначально суставчатое стружкообразо-вание было обнаружено при обработке титановых сплавов, поскольку оно проявляется уже при скоростях резания несколько метров в минуту. При обработке нержавеющих и жаропрочных сплавов суставчатая стружка образуется при скорости несколько десятков метров в минуту. Таким образом, вопрос суставчатого стружкообразования наиболее актуален при резании труднообрабатываемых материалов, поскольку б проявляется на режимах обработки практически применяемых в промышленности.

Это явление наблюдается и в ряде других прогрессивных процессов, например, при лезвийной обработке материалов, прошедших полный цикл термической обработки и имеющих высокую твердость. Известно, что это позволяет исключить операции абразивной обработки. Обработка углеродистых и легированных сталей производится при высоких скоростях резания, соответствующих суставчатому стружкообра-зованию. Это стало возможным в связи с появлением новых инструментальных материалов и обеспечивает значительное повышение производительности обработки.

Все вышесказанное показывает, что проблема управления процессом обработки при суставчатом стружкообразова-нии назрела и требует своего решения. Об этом же свидетельствует возросшее в последнее время внимание исследователей к этой проблеме.

Как показывает анализ, в настоящее время не создано достаточно обоснованной модели процесса суставчатого стружкообразования, которая могла бы позволить осознанно строить системы мониторинга и управления процессом обработки резанием в этих условиях.

Конечной целью данной работы является повышение качества обрабатываемых деталей при высокой производительности за счет осознанного управления деформированием материала при резании, обеспечивающего получение заданного типа стружки в специфичной области суставчатого стружкообразования, характерной, в том числе, для скоростного резания.

Для достижения поставленной цели необходимо, прежде всего, выяснить природу процесса и разработать модель образования суставчатой стружки.

В работе использованы современные теоретические и экспериментальные методы исследования процесса стружкооб-разования. Теоретические исследования осуществлялись на основе разработанной в последние годы модели процесса резания [12], а также достижений в области теории упругости и пластичности, в частности, бездислокационной концепции деформирования и разрушения материальных тел [13, 14]. Экспериментальные исследования проводились при обработке резанием заготовок на токарно-винторезном станке. Получающаяся стружка подвергалась микроскопическим исследованиям. Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием компьютерной техники. Широко использованы накопленные к настоящему времени опубликованные данные опыта и экспериментальных исследований.

Основная научная новизна работы состоит в том, что разработана принципиально новая модель образования суставчатой стружки, адекватная экспериментальным данным и отличающаяся от существующих использованием представлений о процессе резания, как упругопластическом внецентренном сжатии. При этом процесс резания рассматривается как система деформирования, образованная элементами, связанными между собой прямыми и обратными связями.

Предложены практические рекомендации по созданию систем мониторинга и управления процессом резания с целью получения типа стружки, отвечающего требованиям, предъявляемым к технологическому процессу в каждом конкретном случае.

Результаты работы в виде указанных практических рекомендаций, в том числе конкретные способы, переданы для промышленного использования на предприятия, связанные прежде всего с обработкой резанием труднообрабатываемых материалов, а также используются в учебном процессе обучения студентов специальности 12 01 по дисциплине «Процессы формообразования и инструмент» в ВятГТУ. Разработка систем мониторинга и управления процессом резания как перспективное направление развития современных технологий и оборудования, учитывающих применение новых обрабатываемых материалов и режимов обработки, как развитие данного исследования для конкретных условий обработки представляет самостоятельную задачу. Соответствующие предложения по включению этих разработок в перспективные планы научно-исследовательских работ переданы в ЭНИМС и ВятГТУ.

Основные положения диссертации докладывались на ежеквартальных семинарах аспирантов ОАО «ЭНИМС» (Москва, 1998-2000), на региональных научно-технических конференциях «Наука-производство-технология-экология» (Киров, 1998-2000), на научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 1999) и на 3-й международной научно-технической конференции «Проблемы повышения качества промышленной продукции» (Брянск, 1998). По теме диссертации опубликовано б печатных работ.

Пользуясь случаем, выражаю искреннюю признательность и огромную благодарность научному руководителю В.А. Кудинову, за неоценимое влияние на формирование научного мировоззрения автора и живое участие в работе, а также А.И. Седельникову, за предоставленные результаты исследований по суставчатому стружкообразованию, и всем, кто оказывал помощь и поддержку в проведении данной диссертационной работы.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Виноградов, Денис Олегович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ ранее выполненных исследований показал, что имеющиеся модели процесса суставчатого стружкообразования не являются полностью адекватными накопленным к настоящему времени экспериментальным данным. Последняя из этих моделей объясняет появление суставов стружки сдвигом адиабатически разогретого в процессе деформирования металла в области так называемой плоскости сдвига. Остается неясным происхождение периодичности процесса и своеобразие формы стружки и ее изменения при варьировании условий резания. Суставчатая стружка по существу является стружкой переменной толщины, поэтому, в соответствии с традиционной сдвиговой моделью, она должна формироваться при заметном изменении угла сдвига, что не подтверждается характером текстуры материала стружки.

2. Предложенная оригинальная модель суставчатого стружкообразования основана на общей динамической модели процесса резания, предложенной В. А. Кудиновым. Процесс резания, как один из видов упругопластического деформирования материалов, представляется напряженно-деформированным состоянием внецентренного сжатия, то есть сжатия и изгиба. Наблюдаемые при резании закономерности являются выражением процессов во взаимосвязанной системе элементов (напряжение, деформирование, свойства материала) с прямыми и обратными связями. Такая система с позиций термодинамики является самоорганизующейся и открытой. При построении модели использована также новая бездислокационная концепция деформирования и разрушения материалов, предложенная в последние годы В.А. Кудиновым. В соответствии с этой концепцией поверхность, воспринимаемая как поверхность сдвига, является границей растянутой цепи атомов, между которыми внедрены атомы соседних рядов. Таким образом, принимаемая в сдвиговой модели стружкообра-зования область сдвига является локальной зоной интенсивного сжатия - растяжения материала.

3. Предложенная модель суставчатого стружкообразова-ния, как конкретный вид замкнутой динамической системы деформирования, включает взаимодействие трех областей деформирования: сжатия срезаемого слоя, изгиба стружки, прирезцовой контактной деформации. Локальная деформация сжатия-растяжения в зоне изгиба, сопровождаемая интенсивным тепловыделением и повышением температуры, вызывает изменение свойств материала. Это немедленно проявляется изменении напряженного состояния как нарушение равновесия силовых параметров упругой и пластической зон. В зоне сжатия срезаемого слоя возникает интенсивное смещение границы области пластического деформирования, сохраняющей исходную форму, вызванное возникшим избыточным упругим воздействием. Уменьшается толщина стружки и формируется зубец, как часть сустава. Происходящее в процессе указанного смещения изменение напряженного состояния восстанавливает силовое равновесие между упругой и уменьшившейся пластической областями. Формируется стружка уменьшенной толщины. Изменение напряженного состояния сопровождается восстановлением начальной величины зоны сжатия срезаемого слоя, сопровождающегося выпучиванием материала как начала нового формирования стружки.

4 . Выполненный анализ адекватности предложенной модели экспериментальным данным показал соответствие условий устойчивости стружкообразования и закономерностей поведения системы при изменении ее параметров и при различных внешних воздействиях. Модель позволяет объяснить наблюдаемые особенности процесса суставчатого стружкообразования и при необходимости предугадывать новые, пока не встречавшиеся эффекты.

5. Экспериментально установлена возможность соответствия условий перехода от сливного к суставчатому струж-кообразованию известному температурному критерию стойкости по А.Д. Макарову. Для получения более достоверного заключения требуется постановка специального исследования, что не входило в задачу данной работы.

6. На основании результатов анализ предложенной модели и имеющихся экспериментальных данных разработаны рекомендации по созданию систем мониторинга и управления процессом резания на режимах суставчатого стружкообразования. Разработка таких систем с целью получения заданного типа стружки, отвечающего требованиям к технологическому процессу в каждом конкретном случае, как перспективное направление развития современных технологий и оборудования, представляет самостоятельную задачу. Модель также может быть использована для описания процесса резания зависимостями, с целью уменьшения объема банка необходимых экспериментальных данных.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Виноградов, Денис Олегович, 2000 год

1. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов.- М.: Машиностроение, 1975.- 344 с.

2. Бобров В.Ф. Особенности образования суставчатой и элементной стружки при высокой скорости резания / В.Ф. Бобров, А.И. Седельников // Вестник машиностроения.-1976.- № 7.- С. 61-66.

3. Железнов Г.С. Оценка степени и скорости деформации суставчатой стружки / Г. С. Железнов, С. А. Сингеев // Известия вузов. Машиностроение.- 1989.- № 3.- С. 118-121.

4. Зорев H.H. Вопросы механики процесса резания металлов.- М.: Машгиз, 1956.- 368 с.

5. Кабалдин Ю.Г. Резание металлов в условиях адиабатического сдвига элемента стружки // Вестник машиностроения.- 1995.- № 7.- С. 19-25.

6. Кабалдин Ю.Г. К вопросу об адиабатическом сдвиге элемента стружки при резании // Вестник машиностроения.-1998.- № 6.- С. 29-35.

7. Кабалдин Ю.Г. Самоорганизующиеся процессы в технологических системах обработки резанием. Диагностика, управление / Ю.Г. Кабалдин, A.M. Шпилев.- Владивосток: Дальнаука, 1998.- 296 с.

8. Клушин М.И. Резание металлов.- 2-е изд., перераб.- М.: Машгиз, 195 8.- 456 с.

9. Козлов A.A. Интенсификация процессов резания на основе анализа эффектов неизотермической неустойчивости упругопластической деформации в зоне стружкообразования и контактных явлений: Дис. докт. техн. наук: 05.03.01.-Волгоград, 1997.- 215 с.

10. Кудинов В.А. Динамика станков.- М.: Машиностроение , 1967.- 360 с.

11. Кудинов В.А. Схема стружкообразования (динамическая модель процесса резания) // Станки и инструмент.-1992.- № 10.- С. 14-17; № 11.- С. 26-29.

12. Кудинов В.А. Межатомное замещение основа концепции деформирования и разрушения материальных тел // Сб. Тезисы докладов V-ой МНТК по динамике технологических систем.- Ростов на Дону: Изд. ДГТУ, 1997.- т.2.- С. 3-5.

13. Кудинов В.А. Бездислокационная характеристика понятий прочности и износостойкости // Научно-исследовательские работы в области станкостроения: Сб. науч. трудов ЭНИМС / Под ред. Б. И. Черпакова. М.: Изд. ЭНИМС, 2000.- С. 12-22.

14. Кумабэ К. Вибрационное резание / Пер. с яп. C.JI. Масленникова; Под ред. И.И. Портнова, В.В. Белова.- М.: Машиностроение, 1985.- 424 с.

15. Латыпов P.P. Особенности лазерно-механического резания труднообрабатываемых материалов / P.P. Латыпов, Н.Г. Терегулов // Современные технологии в машиностроении: Сборник материалов научно-практической конференции.-Пенза, 1999.- С. 56-58.

16. Лоладзе Т.Н. Стружкообразование при резании металлов.- М.: Машгиз, 1952.- 200 с.

17. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания.- М.: Машиностроение, 1976.- 280 с.

18. Макаров В.Н. Термомеханика высокоскоростной лезвийной обработки / В.Н. Макаров, C.JI. Проскуряков // Вестник машиностроения.- 1993.- № 5-6.- С. 28-29.

19. Марков А.И. Ультразвуковая обработка материалов.- М.: Машиностроение, 1980.- 240 с.

20. Марков А.И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов.- М.: Машиностроение, 19 68.- 3 68 с.

21. Обрабатываемость резанием жаропрочных и титановых сплавов / В.А. Кривоухов, C.B. Егоров, Б.Е. Бурштейн и др.; Под ред. В. А. Кривоухова.- М.: Машгиз, 19 61.244 с.

22. Обработка металлов резанием с плазменным нагревом / А.Н. Резников, М.А. Шатерин, B.C. Кунин, JI.A. Резников; Под общ. Ред. А.Н. Резникова.- М.: Машиностроение, 1986.- 232 с.

23. Обработка резанием жаропрочных сталей, сплавов и тугоплавких металлов / A.M. Даниелян, П.И. Бобрик, Я.Л. Гуревич, И. С. Егоров; Под общ. ред. A.M. Даниеляна. М,: : Машиностроение, 1965.- 308 с.

24. Обработка резанием жаропрочных, высокопрочных и титановых сплавов / Н.И. Резников, Е.В. Бурмистров, И. Г. Жарков и др.- М.: Машиностроение, 1972.- 200 с.

25. Резников А.Н. Оценка деформаций при резании ау-стенитных сталей / А.Н. Резников, Ю.Н. Логинов, Е.В. Боя-ринцев // Известия вузов. Машиностроение.- 198 9.- № 10.-С. 129-133.

26. Резников А.Н. Тепловые процессы в технологических системах / А.Н. Резников, Л.А. Резников.- М.: Машиностроение, 1990.- 288 с.

27. Седельников А.И. Исследование процесса резания литой нержавеющей стали ВНЛ-3: Дис. канд. техн. наук: 05.03.01.- Тула, 1975.- 266 с.

28. Силин С. С. Метод подобия при резании металлов.-М.: Машиностроение, 1979.- 152 с.

29. Старков В.К. Дислокационные представления о резании металлов.- М.: Машиностроение, 1979.- 160 с.

30. Талантов Н.В. Температурно-деформационные закономерности процесса резания // Оптимизация процессов резания жаро- и особопрочных материалов: Межвузовский сборник.- Уфа, 1984.- С. 3-10.

31. Талантов Н.В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента.- М.: Машиностроение, 1992.- 240 с.

32. Трент Е.М. Резание металлов: Пер. с англ. / Пер. Г.И. Айзенштока.- М.: Машиностроение, 1980.- 264 с.

33. Филимонов Л.Н. Особенности стружкообразования в условиях локального термопластического сдвига при высокоскоростном резании / Л.Н. Филимонов, Л.Н. Петрашина // Вестник машиностроения.- 1993,- № 5-6.- С. 23-25.130

34. Флаксман A.JI. Совершенствование методов и средств отвода и удаления сливной стружки при резании вязких материалов на примере обработки трубных заготовок: Дис. канд. техн. наук: 05.03.01.- Москва, 1999.- 160 с.

35. Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы.- 2-е изд.- М.: Металлургия, 1969.-752 с.

36. Шифрин А.Ш. Обработка резанием коррозионностой-ких, жаропрочных и титановых сталей и сплавов / А.Ш. Шифрин, JI.M Резницкий; Под ред. JI.M Резницкого.- JI.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1964.-448 с.

37. Fleming М.А. PCBN hard turning and workpiece surface integrity / M.A. Fleming, C. Sweeney, T.J. Valentine, R. Simpkin // Industrial Diamond Review.- 1998.-№ 4 . pp. 128-133.

38. Ng E-G. Evaluation of cutting force and temperature when turning hardened die steel with AMBORITE AMB90 and DBC50 tooling / E-G. Ng, D.K. Aspinwall // Industrial Diamond Review.- 1999.- № 3. pp. 183-240.