Постнов Владимир Валентинович. Интенсификация нестационарного резания труднообрабатываемых материалов на основе оптимизации термодинамических условий изнашивания режущего инструмента

Краткое описание

Постнов Владимир Валентинович. Интенсификация нестационарного резания труднообрабатываемых материалов на основе оптимизации термодинамических условий изнашивания режущего инструмента : диссертация ... доктора технических наук : 05.03.01.- Уфа, 2005.- 372 с.: ил. РГБ ОД, 71 06-5/398

Уфимский государственный авиационный технический университет
На правах рукописи
ПОСТНОВ Владимир Валентинович ИЗНАШИВАНИЯ РВДЕГОИНСТРУ^ЕОТА "

Специальность 05.03 механической и

Ди
на соискание ученой стє
^шшттбору
(решение от" 42.” Об. мО& г.,№ 0ОА)Щ присудил ученую степень ДОКТОРА ;сертация/ииа1^а>Л5и^^^ наук
їтик управления ВАК России °Р/ технических наук

Я ФЕВ 2006
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 7
1. Анализ состояния проблемы нестационарного резания
А труднообрабатываемых материалов 14
I, . •
| 1.1. Элементы режима нестационарного резания 14
1.2. Систематизация факторов, определяющих
Л . •
нестационарность процесса резания 16
1.2.1. Входные технологические параметры нестационарной обработки
1.3. Анализ теоретических и экспериментальных исследований
нестационарных процессов резания 23
® 1.3.1. Анализ исследований механики нестационарного резания 24
1.3.2. Анализ температурных исследований при нестационарном резании 27
/ 1.3.3. Анализ исследований износостойкости режущего
инструмента при нестационарных режимах обработки 32
1.4. Термодинамическме модели процесса лезвийной обработки 42
1.5. Выводы. Цели и задачи исследования 48
2. Структурно-энергетический анализ процесса резания на основе
52
термодинамики неравновесных процессов
2.1. Общие представления об энергетическом анализе контактных
ф процессов при механообработке ^
2.2. Диссипативная функция внешних сил (сил резания) 56
2.3. Диссипативная функция процесса пластической деформации 58
2.4. Диссипативная функция процесса формоизменения
контактных поверхностей инструмента и образования новых свободных поверхностей при его изнашивании 73
2.5. Уравнение баланса диссипативных функций 84
Выводы по главе 2 86
Теоретические и экспериментальные исследования напряженно- деформированного состояния зоны стружкообразования при нестационарном резании
3.1. Особенности развития процессов деформации и разрушения при динамическом нагружении металлов
3.2. Деформированное состояние зоны контакта инструмента с деталью и его особенности при нестационарном резании
3.2.1. Влияние изменения скорости резания на деформационные процессы в зоне стружкообразования
3.2.2. Модель стружкообразования при нестационарном резании. Общие представления
3.2.3. Влияние изменения параметров сечения срезаемого слоя на деформационные процессы
в зоне стружкообразования
3.3. Напряженное состояние в зоне контакта инструмента с деталью и силы резания при нестационарных
режимах обработки
3.3.1. Модель напряженного состояния зоны стружкообразования при нестационарном резании
3.3.2. Напряженное состояние зоны контакта стружки с передней поверхностью инструмента
Выводы по главе 3
Результаты экспериментальных исследований обрабатываемости и фрикционного взаимодействия инструмента с деталью при нестационарных режимах резания
4.1. Обрабатываемые и инструментальные материалы, выбранные для экспериментальных исследований
4.2. Механические свойства исследуемых материалов
Исследования контактных явлений между обрабатываемым и инструментальным материалами на установках, моделирующих зону локального контакта заготовки и инструмента
4.3.1. Методическое обеспечение исследований трибомеханических характеристик контакта инструмента
с деталью при физическом моделировании
4.3.1.1. Методика исследования влияния температуры на прочностные параметры фрикционного контакта
4.3.1.2. Методика исследования кинетики развития приконтактных деформаций при трении
4.3.1.3. Методика исследования диссипативных характеристик
локального фрикционного контакта
4.3.2. Результаты экспериментальных исследований трибомеханических характеристик локального контакта инструментального и обрабатываемого материалов
4.3.2.1. Влияние температуры на прочностные параметры фрикционного контакта
4.3.2.2. Влияние температуры на деформационные характеристики фрикционного контакта
4.3.2.3. Влияние температуры на диссипативные
характеристикифрикционного контакта
Исследование характеристик механики процесса резания
4.4.1. Методика проведения исследований силовых параметров процесса резания
4.4.2. Влияние элементов стационарного режима резания на составляющие силы резания
4.4.3. Влияние скорости резания и износа инструмента на удельные нагрузки в зоне контакта инструмента с деталью ...
4.4.4. Исследование влияния режима нестационарной
обработки на силы резания
185
186
196
200
209
214
215
215
220
226
4.5. Исследование тепловых явлений при нестационарных режимах обработки
*
4.5.1. Термоэлектрические характеристики естественных термопар резец-деталь
4.5.2. Результаты экспериментального исследования температуры при нестационарном резании
4.5.3. Теплофизический анализ процесса нестационарного резания
Выводы по главе 4
5. Анализ составляющих уравнения термодинамического баланса при квазистационарном и нестационарном резании
5.1. Влияние элементов режима резания на основные составляющие уравнения баланса диссипативных
функций
5.1.1. Влияние износа инструмента, как фактора внутренней нестационарности процесса резания на диссипацию механической энергии
5.1.2. Влияние внешней нестационарности процесса резания на диссипацию механической энергии
5.1.3. Влияние элементов режима резания на диссипативную функцию пластической деформации обрабатываемого материала
5.2. Баланс механической и тепловой энергий при нестационарном резании  
5.2.1. Анализ условий наиболее полной диссипации энергии за счет локализации температуры в приконтактных слоях обрабатываемого
материала
5.2.1.1. Влияние скорости резания и износа инструмента на условия наиболее полной диссипации энергии
5.2.1.2. Влияние параметров внешней нестационарности на условия наиболее полной диссипации энергии
5.3. Анализ синхронизма механических и тепловых процессов в зоне резания
5.4. Термодинамические критерии оценки температурно-силовой нагруженности зоны контакта инструмента с деталью
Выводы по главе 5
Методы интенсификации нестационарного резания по термодинамическим условиям минимизации интенсивности износа режущего инструмента
6.1. Влияние элементов режима резания на параметры износостойкости инструмента при нестационарном точении ....
6.2. Влияниеэлементов режима резания на диссипативную фкнкцию формоизменения контактных поверхностей инструмента
6.2.1. Взаимосвязь изнашиваемого и деформируемого объемов с учетом усталостного характера образования частицы износа ..
6.2.2. Влияние скорости и температуры резания на энергию формоизменения изнашиваемого обема
6.3. Определение оптимальных температурно-ресурсных зон эксплуатации режущего инструмента
6.4. Методы оптимизации режимов резания при нестационарном точении
6.4.1. Термодинамические условия минимизации интенсивности износа инструмента при управляемой вариации скорости резания
6.4.2. Термодинамические условия минимизации интенсивности износа для группы жаропрочных сплавов на никелевой основе
6.4.3. Технико-экономическое обоснование эффективности нестационарного резания
Выводы по главе 6
Основные выводы и результаты
Список использованных источников
Приложения
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) обрабатываются при непрерывном и закономерном изменении одного или нескольких параметров режима резания. Как правило, указанные детали изготавливаются из жаро- и особопрочных материалов, обладающих весьма низкой обрабатываемостью резанием вследствие высокой интенсивности износа режущего инструмента. Износ инструмента, даже при постоянстве режима резания, приводит к дестабилизации внутренних и выходных параметров процесса резания (силы и температуры резания, характеристик качества обработанной поверхности), на которые накладывается внешняя нестационарность от изменения входных управляемых и неуправляемых параметров режима резания, 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.
Вышеизложенное позволяет трактовать лезвийную обработку деталей сложной конфигурации из жаро- и особопрочных материалов на мехатронных станочных модулях и станках с ЧПУ, как управляемый нестационарный процесс, предъявляющий новые требования к виду и методам установления физико-математических зависимостей между переменными входными управляющими воздействиями и выходными параметрами процесса,
обеспечивающими его технико-экономическую эффективность.
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 адаптивного управления и ЧПУ в основном базируется на закономерностях и уставках, полученных при стационарном резании и не учитывающих специфику протекания контактных процессов при переменных параметрах нагружения (запаздывание,
технологическую наследственность, последействие и т.д.). Это 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 нестационарного резания вследствие сложившихся представлений об отрицательном влиянии переменности режима резания на размерную стойкость инструмента, качество и себестоимость обработанных деталей, значительной сложностью разработки математических моделей, адекватно описывающих 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 методов 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 разнообразных условиях процесса резания. Как показали исследования, синхронизм механической и тепловой энергий в зоне обработки обеспечивает оптимальные условия резания и характеристики выходных параметров механообработки, вследствие чего представляет наиболее широкие возможности для управления технологическим процессом.
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 МАП СССР и Минвуза РСФСР «Авиационная технология» (направление 05.01, 1982-1990 гг.);
- научно-технической программы фундаментальных и прикладных 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 РФ и Академии наук Республики Башкортостан (1992¬2000 гг.);
- федеральной целевой программы «Государственной поддержки интеграции высшего образования и фундаментальной науки (направление 3, раздел 1.4., 1997-2006 гг.).
Исследования выполнены на кафедре автоматизированных систем управления государственного авиационного технического университета.
Научная новизна работы состоит в:
- разработке и теоретическом обосновании термодинамической модели управляемого нестационарного резания с учетом полноты диссипативных процессов в зоне контакта инструмента с деталью и затрат энергии на формоизменение режущего инструмента при его изнашивании;
- разработке 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 и быстрая диссипация механической энергии в тепловую и отвод ее от изнашиваемой поверхности термопластически деформированными приконтактными слоями обрабатываемого материала;
- разработке оптимальных условий и алгоритмов управления процессом механообработки на основе выявленных механизмов синхронизации механических и тепловых эффектов в зоне резания для повышения эффективности мехатронных станочных систем.
Практическая ценность и реализация результатов работы
На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований:
- 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;
- разработаны технологические рекомендации по рациональным режимам обработки жаропрочных сплавов на никелевой основе, рекомендуемые справочные данные по режимам резания и инструменту для типовых ГПС механообработки деталей из труднообрабатываемых материалов;
- предложены инженерные методики и новые способы: ускоренного определения оптимальных режимов нестационарного резания (патент РФ № 2207935); оценки обрабатываемости (патент РФ № 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 исследований процессов контактного взаимодействия инструмента с обрабатываемой деталью для экспресс-выбора рациональных марок инструментального материала и назначения оптимальных технологических режимов обработки.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены на крупных предприятиях машиностроения (ОАО «Пермский моторный завод», ФГУП ММПП «Салют»; ФГУП Кум.АПП, ФГУП УАП «Гидравлика», ФГУП УППО); разосланы в качестве руководящих технических материалов на предприятия авиадвигателестроения через Научно-исследовательский институт технологии и организации производства двигателей (ОАО НИИТ); в виде информационного обеспечения по режимам резания и режущему инструменту для типовых ГПС механообработки деталей используются в сети инженерных центров по комплексной автоматизации и созданию интегрированных проектно-производственных 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 г.г в различных городах России и СНГ, среди которых: «Физическая оптимизация, управление и контроль процессов обработки резанием» (Уфа, 1991); «Новые эффективные конструкции инструмента и оснастки для механической обработки деталей (С.-Петербург, 1992); «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 на ВДНХ СССР в 1977 г. и 1988 г., удостоены бронзовой и серебряной медалей ВДНХ СССР; рассматривались Межотраслевым экспертным советом по содействию внедрению научно¬технических достижений (МЭС) в 1990 г. Работа обсуждалась на выездных заседаниях Головного совета «Машиностроение» в 1994 и 2000 гг.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 67научных работах. 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, 11 таблиц.

Список литературы

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 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 принципов обеспечения управляемости и интенсификации нестационарной лезвийной обработки деталей из труднообрабатываемых материалов для повышения эффективности эксплуатации мехатронных станочных систем.
1. Впервые на основе структурно-энергетического анализа лезвийной обработки с использованием положений термодинамики неравновесных процессов получено аналитическое описание предельного 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 нагруженности приконтактных слоев инструмента для определения условий его 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 напряженно- деформированного состояния зоны 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 температурных зависимостей физико-механических характеристик контактного взаимодействия: резком снижении сдвиговой прочности фрикционной (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 II 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 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 av и as 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 необратимым 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 изнашиваемых 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 режущей кромки инструмента, снижается при возрастании общего уровня механической нагруженности зоны резания.
7. Разработаны ускоренные расчетно-экспериментальные 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 оптимальным режимам обработки и уставкам для САУ процесса резания.
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 (синхронизма) 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 оптимальным режимам обработки и инструменту, так и в виде информационного обеспечения автоматизированных модулей механообработки в международной сети инжиниринговых центров по комплексной автоматизации и созданию интегрированных проектно-производственных систем.