В настоящее время в машиностроении можно выделить широкий класс изделий, автоматизация и управление механической обработкой которых требует особого подхода при решении задач по повышению эффективности процесса резания. К данному классу относятся, прежде всего, изделия из коррозийно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов, обрабатываемые на высокопроизводительном автоматизированном оборудовании.
С технологической точки зрения желательно в процессе резания иметь сливную стружку, поскольку она является показателем устойчивости технологической системы, обеспечивает высокое качество обработанной поверхности и гарантированную стойкость инструмента, что особенно важно при автоматизации этого процесса. В реальных условиях обработки заготовок образование сливной стружки соответствует очень узкому диапазону состояния технологической системы в процессе резания, который не всегда совпадает с рекомендуемыми режимами резания и стойкостью инструмента для обеспечения необходимой производительности.
Развитие автоматизированных производств и роботизированных технологических комплексов в машиностроении требует решения задачи автоматизации отвода и уборки стружки, образующейся при обработке на металлорежущих станках. Особое значение отвод стружки из зоны резания имеет при малолюдной технологии.
Известные способы транспортирования стружки с помощью ленточных, винтовых, скребковых конвейеров и других транспортных средств широко применяют в промышленности. Однако они имеют два существенных недостатка — это невозможность отвода стружки из зоны резания и малая эффективность при транспортировке сливной стружки.
Таким образом, формирование отрезков стружки заданной длины, является одной из важнейших в области лезвийной обработки.
Одним из наиболее эффективных методов, позволяющих надежно управлять процессом дробления сливной стружки, является создание предварительного локального пластического воздействия (ЛПВ) на внешней поверхности срезаемого слоя, производимое по определенным законам. Особенность процесса точения заготовок, подвергнутых такому воздействию, заключается в периодическом изменении условий резания по сравнению с исходным материалом. Данный метод дает возможность обеспечить автоматизацию и управление процесса стружкодробления, совершенствуя технологию механической лезвийной обработки в широком диапазоне материалов и режимов резания.
Объект исследования. Исследуется проблема лезвийной механической обработки заготовок ответственного назначения на высокоавтоматизированном технологическом оборудовании, решение которой позволит управлять процессом сегментации и дроблением стружки на основе метода предварительного локального пластического воздействия на материал заготовки.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности лезвийной обработки на станках автоматах и станках с ЧПУ путем автоматизации и управления процессом стружкодробления на основе предварительного локального пластического воздействия на обрабатываемый материал.
Для достижения этой цели требуется решить следующие задачи:
— исследовать кинематические характеристики процесса точения при локальном пластическом воздействии на обрабатываемый материал;
— разработать способ и устройства для осуществления процесса точения при локальном пластическом воздействии на обрабатываемый материал;
— разработать динамическую модель технологической системы, с учетом реологических особенностей стружкообразования и с использованием явления упрочнения в металлах при локальном пластическом воздействии, для оценки стабильности и надежности сегментирования и дробления стружки в области неустойчивого процесса резания;
— создать программный комплекс для управления процессом стружкодробления на основе метода локального пластического воздействия на обрабатываемый материал и алгоритмы для автоматизации выбора способа и параметров этого воздействия.
Методы исследования. Экспериментальные исследования проводились на специальных стендах с применением оригинальных методик, современной аппаратуры, измерительных преобразователей и систем. Моделирование и исследование процессов стружкообразования и стружкодробления осуществлялось с использованием современных вычислительных средств в экспериментально-лабораторном комплексе кафедры «Технология автоматизированного машиностроения» СЗТУ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
— предложена методика определения режимных параметров нанесения локального пластического воздействия для широкого диапазона обрабатываемых материалов;
— создана модель для определения области сегментирования стружки в зависимости от неточности формы и шероховатости поверхности, вызванные предыдущим методом получения заготовки;
— разработаны рекомендации по автоматизации технологического процесса механической обработки с целью обеспечения устойчивого отделения отрезков стружки в широком диапазоне обрабатываемых материалов и режимов резания для станков с ЧПУ.
Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных в работе положений, выводов и рекомендаций обеспечивается физической и математической корректностью постановки задач и методов их решенияиспользованием при исследовании современных методов теории резания, динамики сложных систем, вычислительной техникивысокой сходимостью расчетных и экспериментальных данных: положительным опытом внедрения разработанных методик и рекомендаций в промышленных условиях. Практическая значимость работы заключается в следующем:
— разработан метод для обеспечения сегментирования и дробления стружки в процессе точения при локальном пластическом воздействии на обрабатываемый материал:
— созданы эффективные устройства для нанесения локального пластического воздействия на обрабатываемый материал на станках с ЧПУ;
— разработаны и предложены технологические рекомендации по локальному пластическому воздействию на обрабатываемый материал в широком диапазоне режимов резания;
— определены параметры нанесения на исходную поверхность заготовки локального пластического воздействия в зависимости от режимов последующей обработки для обеспечения устойчивого стружкодробления на станках с автоматическим циклом работы:
— создан программный комплекс для управления процессом стружкодробления на основе метода локального пластического воздействия на обрабатываемый материал и алгоритмы для автоматизации выбора способа и параметров этого воздействия.
Структура и содержание. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.
1.7. Выводы.
Проведенный анализ различных методов и способов дробления стружки в процессе токарной обработки и их влияние на основные физические закономерности процесса позволил сделать следующие выводы: 1. Решение вопроса об управлении процессом стружкодробления при обработке резанием имеет большое значение, поскольку позволяет автоматизировать этот процесс на станках с автоматическим циклом работы и автоматических линиях, а также повысить производительность труда, культуру производства и снизить затраты на последующую транспортировку и переработку стружки.
2. Широко распространенные некинематические способы управления процессом стружкообразоваиия обладают малой универсальностью, не обеспечивают надежного и эффективного дробления стружки при изменении режимов резания, диаметров заготовок и свойств обрабатываемого материала, а также не позволяет обрабатывать высокопрочные, жаропрочные и пластичные сплавы. Кроме того, применение некинематических средств снижает стойкость резцов, повышает расход твердого сплава и электроэнергии.
3. При использовании дискретного метода управления процессом стружкодробления возникают весьма значительные упругие деформации технологической системы механической обработки металлов резанием, что не позволяет мгновенно прекратить процесс резания. Кроме того, вследствие постепенного снятия упругих сил происходит образование борозд на обработанной поверхности. Периодические остановы также приводят к снижению производительности обработки. К тому же метод не универсален, т.к. требует разработки индивидуального привода для каждой модели станка.
4. Кинематический метод управления процессом стружкодробления гармоническими колебаниями из-за существенных периодических сил резания, обусловленных переменной толщиной срезаемого слоя, снижает долговечность работы станка, точность механической обработки и уменьшают коэффициент относительной производительности (КПР) и коэффициент постоянства сечения срезаемого слоя (К&bdquo-, = 0).
5. Применение устройств, обеспечивающих вынужденные колебания резца или заготовки как гармонического, так и негармонического характера требует введения дополнительных источников энергии с достаточно широким диапазоном регулирования. Кроме того, нужна кинематическая связь устройства со шпинделем станка для синхронизации вращения заготовки с колебаниями инструмента или заготовки, что сопряжено с необходимостью внесения изменений в конструкцию станка. Такие устройства достаточно сложны и дорогостоящи.
6. Из выше перечисленного ряда, более простым и экономически целесообразным является метод управления процессом стружкодробления с помощью нанесения на обрабатываемую поверхность заготовки линии локального физического воздействия (ЛФВ). Этот метод позволяет без существенного изменения в технологической системе и дополнительных источников энергии осуществить на этапе обработки металлов резанием управление процессом стружкодробления.
1.8. Посл ановка задач исследования.
На основании вышеизложенного анализа достоинств и недостатков различных методов и способов управления процессом стружкодробления при точении на станках с автоматическим циклом работы было установлено, что целесообразной является разработка метода, который включает этап подготовки поверхности металла нанесением линии локального физического воздействия и этап непосредственного процесса резания с обеспечением управления стружкодроблением, в связи с чем были сформулированы следующие задачи:
1. Разработать метод локального пластического воздействия, обеспечивающий управление стружкой в процессе точения и исследовать его основные кинематические характеристики.
2. Обосновать на этапе предварительной подготовки поверхности область применения контактного воздействия для нанесения локального пластического воздействия.
3. Определить режимные параметры пластического воздействия для обеспечения упрочнения в материале заготовки на этапе предварительной подготовки поверхности.
4. Создать конструкцию устройства для нанесения локального пластического воздействия и определить режимные параметры процесса предварительной подготовки поверхности заготовки.
5. Определить влияние автоколебательных процессов в технологической системе механической обработки на устойчивость процесса управления стружкодроблен ием.
6. Разработать модель определения области сегментирования стружки в зависимости от формы и шероховатости поверхности, полученных на предыдущей операции обработки заготовки.
7. Разработать модель для оптимального воздействия устройства образующее локальное пластическое воздействие на поверхность заготовки в зависимости от ее геометрической формы и погрешности установки на станке.
8. Определить область устойчивой сегментации стружки для различных материалов и режимов последующей обработки.
Глава 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПРОЦЕССА ТОЧЕНИЯ ПРИ ЛОКАЛЬНОМ.
ПЛАСТИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА ОБРАБАТЫВАЕМЫЙ МАТЕРИАЛ.
В процессе резания, с технологической точки зрения, сливная стружка является показателем устойчивости технологической системы, обеспечивая высокое качество обработанной поверхности, гарантированную стойкость инструмента и требует меньших затрат энергии [33, 46]. Образование сливной стружки в реальных условиях обработки заготовок соответствует очень узкому диапазону состояния технологической системы в процессе резания. Этот диапазон зачастую не совпадает с применяемыми режимами резания и параметрами стойкости инструмента по производительности [8.19. 28, 31, 46]. В то же самое время, сливная стружка, является отрицательным фактором, которая сказывается на затруднении эксплуатации технологического оборудования, становится причиной преждевременного износа и аварий станков и приспособлений, может вызывать травмы обслуживающего персонала, затрудняет процесс комплексной механизации уборки стружки и ее последующей переработки и т. д. Особо остро этот вопрос встает при обработке изделий на станках с ЧПУ, автоматических линиях с применением автоматических манипуляторов, удельный вес которых в общем, парке станков в последнее время имеет тенденцию к увеличению.
В первой главе уже отмечалось, что в настоящее время эта задача разрешается преимущественно по двум направлениям: некинематическим и кинематическим. Некинематические включают: лунки, уступы, пороги и т. д. Кинематические методы обеспечиваются колебаниями инструмента или заготовки путем наложения в процессе точения колебаний на исполнительные механизмы.
В первой главе, проанализировав методы воздействия на сливную стружку, пришли к выводу, что при обработке коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов наиболее перспективным является метод предварительного локального физического воздействия (ЛФВ) на обрабатываемую поверхность заготовки.
2.1. Сущность метода предварительного локального физического воздействия на обрабатываемую поверхность заготовки.
Производимое по определенным законам предварительное локальное физическое воздействие (ЛФВ) на внешнюю поверхность срезаемого слоя, позволяет изменять условия деформации металла при резании [23, 24, 38]. Периодические изменения условий резания, по сравнению с исходным материалом, являются особенностью процесса точения заготовок, подвергнутых такому воздействию. Физическое воздействие на поверхность материала в локальной зоне приводит к изменению в ней структуры и механических свойств обрабатываемого металла.
В процессе обработки зона локального воздействия, находясь в метастабильном состоянии по сравнению с основным металлом, приводит к мгновенному изменению напряженно-деформированного состояния в зоне стружкообразования [10].
На реологические параметры процесса стружкообразования оказывает влияние локальная метастабильность, которая создается в области предполагаемого припуска срезаемого слоя материала на внешней поверхности заготовки по специально заданной траектории точкой С (см. рис. 2.1, а) которая на этапе подготовки формируется частотой вращения заготовки л&bdquoи подачей 5. устройства для создания ЛФВ [23,24, 38]. материале (а) и процесс точения заготовки после предварительного физического воздействия на материал (б).
Физическое воздействие на поверхность материала в локальной зоне приводит к изменению плотности дефектов кристаллической решетки, образующих высокоэнергетические конфигурации [23, 24], что приводит к возникновению повышенной метастабильности структуры с этой локальной области. В последующем при лезвийной механической обработке с частотой вращения заготовки п, и подачей 5,. режущая кромка инструмента в плоскости резания пересекается в точке С с зоной локального физического воздействия (см. рис. 2.1,6).
Зона локального воздействия (/?" х) с искаженной кристаллической решеткой, имеющая иные механические свойства по сравнению с основным материалом, приводит к мгновенному изменению напряженно-деформированного состояния в зоне стружкообразования (см. рис. 2.2).
2.2. Анализ существующих методов ЛФВ на обрабатываемый материал заготовки.
Как уже отмечалось выше сущность метода предварительного локального воздействия состоит в том, что на этапе подготовки заготовки производят физическое воздействие на ее поверхность с целью изменения физико-механических свойств обрабатываемого материала.
Метод локального температурного воздействия (ЛТВ) на обрабатываемую поверхность аналогичен методам, применяемым для поверхностной закалки стали [23, 24, 40]. Сущность локального термического воздействия состоит в нагреве поверхностного участка стальной заготовки выше температуры фазового перехода Асз с последующим охлаждением для получения высокой твердости в обработанной зоне (см. рис. 2.3).
Расстояние от поверхности, мм.
Рис. 2.3. Изменение температуры по сечению локального термического воздействия: 1 — в момент нагрева- 2 — через заданный промежуток времени после окончания обработки.
В результате структура закаленной зоны состоит из мартенсита, а переходной зоны из мартенсита и феррита, так как ее охлаждение происходит из промежуточного температурного интервала Ас3 — Ас,. Более глубокие слои металла нагреваются до температуры ниже критической, поэтому изменения структуры в них не происходит. Линии 3 показывают температуры критических точек Ас, и Ас3. Слой а, нагретый выше критической точки Ас3 получит полную закалку, а слой в, нагретый выше точки Ас, но ниже точки Ас3, получит не полную закалку. Часть слоя а, наиболее близко прилегающего к поверхности, получит нагрев, превышающий точку Ас3, т. е. получит определенную степень нагрева. Это определится в первую очередь высотой по температурной шкале точки А.
Таким образом, структура локальной зоны будет характеризоваться наличием закаленного слоя с определенной степенью нагрева и переходного слоя с неполной закалкой. При прекращении температурного воздействия произойдет перераспределение температуры из зоны локального воздействия, за счет теплопроводности, в глубь основного материала заготовки в соответствии с линией 2. В виду локальности термического воздействия охлаждение нагретой области происходит самой массой металла, которая остается холодной и после прекращения действия источника нагрева является охладителем для поверхностных локальных разогретых слоев. Глубина зоны термического влияния при достаточно интенсивном нагреве определяется распределением температур по сечению заготовки, что может быть регулируемо с разной степени точности в зависимости от способа нагрева.
Как уже отмечалось, нагрев может быть произведен пламенем газовых горелок и контактным электротермическим методом.
При газовом методе поверхностный нагрев в локальной зоне производится пламенем газовой, обычно кислородно-ацетиленовой горелки. Пламя имеет высокую температуру порядка 3000° С, и моментально нагревает поверхность до температур, превышающих ¿-4с, (см. рис. 2.4).
Рис. 2.4. Изменение температуры вдоль оси пламени: 1-окислительного- 2-нормального- 3-науглероживающего ацетиленокислородного.
Расстояние г, а оси пламени от сопла. мм.
Этот способ нагрева требует большой точности, так как степень прогрева поверхности и глубина его распространения зависят от температуры пламени, его расстояния от изделия и, особенно от времени соприкосновения. Работа горелки должна быть такова, чтобы возможные случайные колебания режима отражались на результатах в минимальной степени.
Температура пламени — один из важнейших параметров, определяющих его тепловые свойства. Чем выше температура, тем эффективнее нагрев металла. Неоднородность состава пламени вдоль его оси и в поперечном сечении вызывает различие в температуре отдельных его зон. У большинства углеводородных газов наивысшая температура пламени в непосредственной близости к ядру — в средней зоне пламени (см. рис. 2.4).
Существенное влияние на температуру пламени оказывает соотношение смеси горючего газа с кислородом. С увеличением соотношения смеси газов Д, максимум температуры возрастает и смещается в сторону мундштука горелки, что объясняется увеличением скорости процесса горения смеси при избыточном содержании в ней кислорода (см. рис. 2.4).
Температуру пламени можно определить расчетным методом и непосредственным измерением. Температура ацетиленокислородного пламени сварочной горелки с удельным расходом ацетилена 250.400 дм3/ч при соотношении смеси газов Д= 1.1. 1.2 на различных расстояниях от внутреннего ядра пламени показана в табл. 2.1.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Повысить производительность труда, культуру производства, снизить затраты на последующую транспортировку и переработку стружки, а также автоматизировать процесс стружкодробления при обработке резанием на станках с автоматическим циклом работы и автоматических линиях, позволяет решение вопроса об управлении этим процессом.
2. Анализ технико-экономических показателей существующих методов и способов стружкодробления при лезвийной обработке на станках с автоматическим циклом работы и автоматических линиях показал, что наиболее эффективным является метод, который обеспечивает на первом этапе предварительное локальное пластическое воздействие на поверхностный слой заготовки, а на втором этапе — процесс резания.
3. Разработан метод стружкодробления. основанный на использовании явления деформации металла при локальном пластическом воздействии на обрабатываемую поверхность заготовки, позволяющий обеспечить при последующей обработке периодическое изменение условий резания по сравнению с исходным материалом. Для предварительного нанесения линии локального пластического воздействия, на основании полученных кинематических характеристик созданы устройства.
4. Предложена обобщенная математическая модель процесса стружкообразования, позволяющая описать процесс с учетом упруго-пластических свойств в динамике контактного взаимодействия инструмента с заготовкой и реологических особенностей в зоне активного пластического деформирования при локальном пластическом воздействии на обрабатываемый материал.
5. Разработана математическая модель технологической системы механической обработки, позволяющая описывать динамические процессы с учетом реологических особенностей процесса стружкообразования в зоне активного пластического деформирования, при чередовании срезаемого слоя исходного материала, подверженного локальному пластическому воздействию, необходимая для анализа поведения технологической системы механической обработки в процессе сегментирования и дробления стружки.
6. Имитационное моделирование динамических процессов технологической системы механической обработки при локальном пластическом воздействии позволило оценить влияние автоколебательного процесса на устойчивость сегментирования стружки. Теоретические и экспериментальные исследования с использованием предложенных моделей подтвердили стабильное и надежное сегментирование и отделение отрезков стружки в области неустойчивого процесса резания.
7. Выполнен комплекс экспериментальных исследований в области параметров пластического воздействия в зависимости от режимов последующей обработки для широкого диапазона материалов, позволивший получить методом нелинейной аппроксимации модель для определения оптимальных параметров локального пластического воздействия при заданных режимах резания.
8. Разработаны и реализованы в виде программ для ЭВМ расчетные модели для автоматизированного управления процессом сгружкодробления на основе метода локального пластического воздействия на обрабатываемый материал и алгоритмы для автоматизации выбора способа и параметров ЛПВ.
9. Разработаны и предложены технологические рекомендации по локальному пластическому воздействию на обрабатываемый материал в широком диапазоне режимов резания. Разработаны устройства для практической реализации предложенных технологических рекомендаций.
10. Результаты и предложения выполненных исследований прошли промышленные испытания на предприятиях города Санкт — Петербурга: ОАО «Авангард" — ОАО «НПО «Прибор" — а также ОАО «НПО «Такт» города Перми.
11. По материалам диссертации опубликовано 7 научных работ.
