Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния проблемы обеспечения динамической стабильности процесса резания цель и задачи исследования 10
1.1. Теоретические исследования возникновения вибраций при резании металлов 10
1.2. Анализ закономерностей процесса пластического деформирования и разрушения при резании металлов 16
1.3. Современные представления в области построения моделей процесса стружкообразования 18
1.4. Анализ методов обеспечения виброустойчивости процесса резания 26
1.5. Цели и задачи исследования 31
2. Динамическое моделирование стружкообразования в процессе резания 33
2.1. Основы пластического деформирования и разрушения металла в процессе стружкообразования 34
2.2. Современный подход к построению динамической модели стружкообразования в процессе резании 42
2.3. Физическое обоснование возможности управления деформационным процессом при резании 48
2.4. Результаты и выводы по главе 51
3. Динамическое моделирование технологической системы механической обработки
3.1. Построение упрощенной динамической модели технологической системы механической обработки 53
3.2. Математическая модель технологической системы 56
3.3. Моделирование условий фазовых переходов в процессе стружкообразования .. 11
3.4. Результаты и выводы по главе 84
4. Управление процессом резания путем создания локальной метастабильности в обрабатываемом материале 86
4.1. Создание локальной метастабильности в обрабатываемом материале и ее влияние на кинематику процесса резания 87
4.2. Управление реологическими параметрами процесса стружкообразования при локальной метастабильности в обрабатываемом материале 96
4.3. Теоретические и экспериментальные исследования влияния локальной метастабильности в обрабатываемом материале на управление процессом резания 111
4.4. Методы создания локальной метастабильности в обрабатываемом материале. Автоматизация процесса механической лезвийной обработки на основе управления процессом стружкообразования 128
4.5. Результаты и выводы по главе 138
Заключение 139
Латература
- Анализ закономерностей процесса пластического деформирования и разрушения при резании металлов
- Современный подход к построению динамической модели стружкообразования в процессе резании
- Моделирование условий фазовых переходов в процессе стружкообразования
- Управление реологическими параметрами процесса стружкообразования при локальной метастабильности в обрабатываемом материале
Анализ закономерностей процесса пластического деформирования и разрушения при резании металлов
Проведенные в последние годы теоретические и экспериментальные исследования в области механической обработки металлов резанием позволили изучить взаимосвязь многих явлений и тем самым способствовали повышению эффективности процесса резания. Глубокие исследования в данной области выполнены отечественными учеными А.М.Вульфом, Ю.М.Бароном, В.Ф.Безъязычным, Н.Н.Зоревым, Т.Н.Лоладзе, Л.С.Мурашкиным, С.Л.Мурашкиным, В.Г.Подпоркиным, Н.И.Резниковым, А.Н.Резниковым, Н.В.Талантовым, МАШатериным и др., а также зарубежными учеными И.Дж.Армарего, ДБлеком, М.Мерчантом, Т.Рамарайджем, Е.Хербетом, Г.Шпуром и др.
Отделение срезаемого слоя от материала заготовки начинается при достижении критического значения напряжения у режущей кромки. Нарушение равновесия напряжений, действующих на заготовку и инструмент, приводит к потере устойчивости процесса резания, вследствие чего возникают вибрации и разрушения режущего инструмента. При перемещении по передней и задней поверхностями режущего клина стружка и поверхностный слой заготовки дополнительно деформируются и упрочняются. Эти изменения происходят неравномерно по сечению стружки. Неустойчивость процесса резания напрямую связана с неоднородностью пластической деформации.
Д. Блэк [102] и Н.В. Талантов[89] основной причиной неустойчивости процесса резания считают явления, происходящие в переходной зоне -фронте сдвига. Вблизи фронта сдвига деформируемый металл достигает критического состояния - насыщения скрытой энергией деформирования. Материал утрачивает способность к дальнейшему механическому упрочнению, что приводит к динамичщайй нестабильности в узкой ограниченной области. Субструктура на фронте сдвига, характерная для гетерогенной пластической деформации превращается в текстуру с однородным размером зерна по всей толщине стружки. Основным условием устойчивости стружкообразования становится равновесие между процессами деформационного упрочнения и динамического возврата.
По Д. Блэку [102] общее напряжение пластического течения при резании металлов является суммой напряжения пластического течения нетеплового происхождения и теплового происхождения в условной плоскости сдвига. Первое обусловлено процессом пересечения дислокаций, использующим энергию дефекта упаковки; второе главным образом связано с ломкой нестабильных ячеек с последующим разогревом и размягчением в узкой зоне.
Т.Н. Лоладзе [45] показал, что процесс резания металла включает в себя два взаимосвязанных процесса: деформацию, предшествующую сдвигу; собственно процесс сдвига.
До возникновения процесса сдвига в области пластической деформации образуется тонкая структура пластинчатого типа, отражающая только свойства обрабатываемого материала. После окончания процесса сдвига - стружка с крупной пилообразной структурой, формирующаяся вследствие контакта с передней поверхностью режущего инструмента, подвергаясь упругой и пластической деформации. Увеличивая или уменьшая жесткость технологической системы, можно варьировать частоту крупных пилообразных зубьев, но это не отражается на основной периодической тонкой структуре. Ячейки или сетки дислокацийМ)ормируются на последних стадиях деформации.
Установлено, что размер ячеек по мере их приближения к режущему клину уменьшается. Формирование ячеистой структуры определяется энергией дефекта упаковки. В материале с низкой энергией дефекта упаковки для образования ячеек требуются бст&тле деформации и наоборот. Увеличение плотности дислокаций приводит к упрочнению металла и создает упругие взаимодействия в материале.
В работах В.К. Старкова [86] и М.Е. Эльясберга [100] формирование ячеистой структуры, предшествующей основной деформации, получило название "несвойственного распределения дислокаций". Независимо от способа достижения несвойственного распределения дислокаций (кручение, растяжение, сжатие, ударная нагрузка), дальнейшее деформирование металла характеризуется грубыми линиями скольжения и образованием узкой плоскости сдвига.
Поскольку металл в зоне резания подвергается интенсивным пластическим деформациям, естественным является привлечение для построения модели резания теории пластичности. Исходя из этого, в работах [6, 81, 106] предлагается рассматривать процесс резания как установившееся пластическое течение, считая, что зона пластичной деформации локализуется у острия резца, а в отдельных частях заготовки и стружки металл является жестким. Однако сами модели процесса резания не приводятся, поскольку подчеркивается, что задачи установившегося пластического течения тесно связаны с особенностями технологического процесса и требуют специального исследования. Основные исследования в настоящее время относятся к установившимся (квазистатическим режимам). Одно из основных направлений исследований рассматривает в качественном плане локальные процессы, связанные со стружкообразованием. Этому направлению посвящены следующие работы отечественных авторов: Н.Н. Зорева [30], Т. Н. Лоладзе [45], A.M. Розенберга [81] и др. Исследования зарубежных авторов в этих направлениях связханы с именами Коквилхэта, Мэллока, Треска и более поздние работы Брауна, Кроненберга, Мер-чанта, Пииспанена, Розенхаина, Рюликса, Трента, Тэйлора, Эрнста и ДР Анализируя все выполненные работы, следует отметить, что предложенные зависимости, характеризующие процесс резания, являются эмпирическими.
Предложенная Л.С. Мурашкиным [60] зависимость силы резания от скорости, в чистом виде является квазистатической. В одноконтурной модели технологической системы механической обработки резанием (ТСМОР) трение обрабатываемого материала и инструмента в явном виде не учитывается (см. рис. 1.1).
Современный подход к построению динамической модели стружкообразования в процессе резании
Для макроуровня характерны крупномасштабные и очень сложные взаимно коррелированные неустойчивости ротационно-сдвигового типа, проявляющиеся в виде полос пластических сдвигов и параллельных им дисклинационных сбросов. Этим объясняется макроскопически наблюдаемая пластическая деформация срезаемого слоя. При больших деформациях полосы пластических сдвигов сближаются, количество дисклинаций, выходящих на поверхность увеличивается и, таким образом, формируется наблюдаемый рельеф наружной поверхности стружки.
Процесс резания является процессом упругого, затем пластического деформирования и разрушения, в результате чего путем локализованной в ограниченном объеме сдвиговой деформации образуется стружка. Разрушение реального твердого тела представляет собой сложный комплекс многих взаимосвязанных или дополняющих один другого процессов, идущих одновременно или попеременно подготавливающих друг друга на разных масштабных и структурных уровнях.
Наряду с понятием скорости активной пластической деформации к , существует понятие скорости пластической аккомодации є СІКК скорости того процесса конкретных дислокационных перестроек в структуре, которые приводят к релаксации внутреннего напряжения JBH. Скорость пластической аккомодации является структурночувст-вительной величиной, т. е. зависит от рядя внутренних параметров
материала: величины, типа и плотности источника дислокаций, сопротивления движению дислокаций и др.
Если скорость пластической аккомодации меньше скорости пластической деформации, то возникающие в локальной области кристалла внутренние напряжения не успевают рассеиваться и достигают значений, достаточных для зарождения устойчивой в поле внешних напряжений трещины. Неравенство є є = const является струк ілКК турно-кинетическим условием трещинообразования. Если структура не критическая, то выполняется структурно-кинетическое условие сплошности деформации: є є = const. ClfCK На макроуровне разрушение представляет процесс образования и распространения магистральной трещины, которая не является монотонной, а представляет собой сложное образование, возникшее при слиянии множества более мелких трещин (мезотрещин). Образованию микротрещины предшествует локальная пластическая деформация, в десятки и сотни раз превышающая среднюю по сечению. Микротрещины возникают взрывоподобно - хрупко. Размеры зародившихся микротрещин намного превосходят атомные и составляют 0,05-0,1 мкм.
В результате выполненного анализа установлено, что в процессе стружкообразования активная пластическая деформация срезаемого слоя сопровождается неоднородностью пластических сдвигов и разворотов, которые локализуются по границам фрагментов структуры обрабатываемого материала. Пластическое течение происходит одновременно на нескольких структурных уровнях. Каждый структурный уровень испытывК макродеформацию по отношению к нижестоящему и микродеформацию по отношению к вышестоящему уровню. Установлено, что неустойчивость пластического деформирования в процессе стружкообразования, обусловлена, прежде всего, волновой природой пластической деформации металла срезаемого слоя, локализацией пластических сдвигов и поворотов на разных структурных уровнях металла, а также одновременным действием двух противоположно направленных основополагающих процессов: повышением локальных внутренних напряжений и их пластической релаксацией, представляющей внутренний диссипативный процесс.
Процесс резания осуществляется путем локализации в зоне стружкообразования пластической деформации срезаемого слоя, превращаемого в стружку. При этом одновременно образуется новая пластически деформированная обработанная поверхность, по которой происходит разрушение и отделение припуска.
В настоящее время недостатком многих аналитических исследований закономерности взаимосвязи между параметрами зон стружкообразования и контакта стружки с инструментом являются неполная ясность в представлении о реологической модели процесса резания, а также отсутствие цельной гипотезы, позволяющей отразить в достаточно полном объеме закономерности взаимосвязи между параметрами реологической модели.
Анализ результатов исследования известных отечественных и зарубежных работ Д. Блека [8], Д.В. Василькова [11, 12], В.Л. Вейца [16], Н.Н- Зорева [30], Т.Н. Лоладзе [45], В.В. Максарова [46, 49], В.Н. Подураева [70], A.M. Розенберга [81], и др. позволили представить процесс резания пластичных металлов следующими схемами (рис. 2.1, рис.2.2). Условная плоскость сдвига
Условная модель процесса стружкообразования В процессе резания деформация срезаемого слоя материала под действием передней поверхности инструмента происходит вначале упруго. Затем в локальной области наступает пластическая деформация обрабатываемого материала, которая постепенно возрастает до условной плоскости сдвига, где срезаемый слой подвергается деформации сдвига.
Этот процесс до момента образования стружки условно можно разбить на два этапа: деформацию до плоскости сдвига ( J cr ) и сдвиг элемента малой толщины по плоскости сдвига ( т т ). В результате действия этих процессов в срезаемом слое создается тонкая структура пластинчатого типа А, состоящая из широких пластинок и узких плоскостей сдвига, с равномерной периодичностью. Таким образом происходит формирование основной периодической тонкой структуры, нечувствительной к изменению условий резания и отражающей только свойства обрабатываемого материала.
После прохождения условной плоскости сдвига деформированный слой в области вторичной пластической -деформации формирует стружку, которая контактирует с передней поверхностью инструмента и под действием сил трения подвергается упругой деформации. Это приводит к образованию крупных внешних элементов стружки Б пилообразной формы.
Периодичность больших пилообразных зубьев можно менять увеличивая или уменьшая жесткость технологической системы, но это не влияет на параметры тонкой периодической структуры.
Моделирование условий фазовых переходов в процессе стружкообразования
Таким образом, исходную нелинейную систему дифференциальных уравнений (3.11) можно представить в виде линеаризованной двухконтурной модели следующим образом:
Уравнение (3.26) отражает процесс запаздывания при резании материала режущим инструментом с углом в плане q P = 0. Точение резцом с углом в плане (рР Ф 0 при подаче S и глубине срезаемого слоя U требуется рассмотрение колебаний по направлениям х1 и х2 (рис. 3.6, [100]). При учете колебаний в обоих контурах х1 и х2 уравнение (3.26) можно представить в следующем виде ТР Р+Р=-(кх1 хг+кх2 х2)-Тку1у1 (3.28) где к _ С08Ч . k _(fBsm2 Pp) _Ps(l kxl-kx2) xl с x2 с Ы 2V c cxl cx2 ZyScy Пренебрегая колебаниями в контуре х2, полагаем ку? «О. Следо вательно кх1=кх. Система уравнений в форме (3.25) - (3.27) определяет поведение технологической системы при описании трения между передней поверхностью режущего инструмента и стружкой в процессе резания в виде квазистатической характеристики - типа модели Амонтона - Кулона. Эти уравнения в работах [11, 46, 59, 82] были модифицированы с учетом молекулярно-механического представления о контактном взаимодействии между режущим инструментом и стружкой на основе двухчленного закона трения, включающего фазы скольжения и схватывания (адгезии). Учитывалось их влияния на поведение технологической системы. Составление уравнений динамики для четырехкон-турной модели системы механической обработки проводилось с учетом указанных фаз. В режиме скольжения поведение технологической системы определялось системой уравнений (3.25) - (3.27).
В режиме схватывания контактное взаимодействие в процессе механической обработки отображалось моделью Фойхта [11], поэтому уравнения движения имеют вид mxx+bxx+cxx+/3Tx+cTx=Q; myy+byy+cyy+j3ny+cny P, ш (3.29) где сг, сп, J3T, р„- квазиупругие и диссипативные коэффициенты в касательном и нормальном направлениях зоны стружкообразования.
Представленная в работах [11, 59, 82] динамическая модель учитывает связь между подсистемами заготовки и инструмента через процесс резания, однако упруго-диссипативные характеристики ст, сп, fix, fin учитываются в ней только в зоне схватывания, то есть при адгезионном взаимодействии уже сходящей стружки с инструментом. Следовательно, фактически учитывается процесс вторичной деформации и его влияние на динамические характеристики технологической системы механической обработки, и не учитывается процесс активной первичной деформации металла в зоне стружкообразования, который происходит в течение всего процесса резания, независимо от того, какая из фаз в данный момент соответствует движению стружки по передней поверхности резца. Переход из одной фазы в другую отражается на первичной пластической деформации только вследствие изменения вектора действующей силы. Таким образом, при построении реологической модели технологической системы механической обработки необходимо учитывать, как процесс первичной пластической деформации в зоне срезаемого слоя, так и процессы вторичной деформации и трения при движении стружки по передней поверхности режущего инструмента.
На рис. 3.3 приведена реологическая модель стружкообразования, отображающая связь между подсистемами при резании. Процесс стружкообразования представлен реологической моделью (2.1) в виде последовательного соединения упруговязкопластической релакси-рующей среды Ишлинского и среды Фойхта с двумя упруго-диссипативными элементами в касательном и нормальном направлениях. В соответствии с реологической моделью процесса стружкообразования (рис. 2.5) уравнение Ишлинского можно проплавить в следующем виде
Управление реологическими параметрами процесса стружкообразования при локальной метастабильности в обрабатываемом материале
Процесс етружкообразования в значительной степени определяет процесс резания в целом. От процесса етружкообразования зависит величина сил резания, расход энергии и количество выделяющегося тепла в процессе резания, точность обработанной детали и качество ее поверхностного слоя, условия работы станка инструмента и т. д. [39, 100]. Поэтому выявление закономерностей процесса етружкообразования имеет большое значение для обоснованного решения практических вопросов обработки металлов резанием.
Возникновение автоколебаний при резании способствует интенсивному износу режущего инструмента, снижению долговечности исполнительных механизмов станка, вызывает снижение точности обработки и ухудшение качества поверхностного слоя изделия [2, 10, 70, 72 и др.].
Показателем динамической устойчивости технологической системы механической обработки является получение сливной стружки, обеспечивающей высокое качество обработанной поверхности и гарантированную стойкость инструмента [40, 70]. В реальных условиях обработки резанием образование сливной стружки соответствует очень узкому диапазону режимов обработки, который не всегда совпадает по производительности с применяемыми режимами резания и параметрами стойкости инструмента [18, 26, 40, 70 и др.]:
Как показал анализ моделируемой деформации в срезаемом слое металла, одним из наиболее эффективных методов, позволяющих снижать интенсивность автоколебаний, является предварительное локальное физическое воздействие на внешнюю поверх-. ность срезаемого слоя, сущность которого заключается в том, что внешнюю поверхность заготовки предварительно подвергают локальному физическому воздействию (ЛФВ) по заданной траектории. Это приводит к изменению в локальной зоне структуры и механических свойств обрабатываемого материала.
В процессе обработки зона локального воздействия, находясь в метастабильном состоянии по сравнению с основным материалом, приводит к мгновенному изменению напряженно - деформированного состояния в зоне стружкообразования. Этот процесс оказывает воздействие на динамические параметры замкнутой автоколебательной технологической системы механической обработки.
Теоретические и экспериментальные исследования по созданию локальной метастабильности в сталях, показали, что в процессе обработки стальных заготовок существует возможность управления процессом резания, а это в свою очередь позволяет совершенствовать технологию обработки в широком диапазоне материалов и режимов резания [17, 20].
Создание локальной метастабильности, оказывающая влияние ни реологические параметры процесса стружкообразования, осуществляется в области предполагаемого припуска срезаемого слоя материала на внешней поверхности заготовки по специально заданной траектории точкой А (рис. 4.1), которая на этапе подготовки формируется частотой вращения заготовки пт и подачей Sm устройства для создания ЛФВ [20, 46, 47].
Схема процесса точения заготовки после предварительного локального физического воздействия на материал Физическое воздействие на поверхность материала в локальной зоне приводит к изменению плотности дефектов кристаллической решетки, образующих высокоэнергетические конфигурации [20, 46, 52], что приводит к возникновению повышенной метастабильности структуры в этой локальной области.
Затем при лезвийной механической обработке с частотой вращения заготовки пр и подачей Sp (рис.4.1) режущая кромка инструмента в плоскости резания пересекается в точке А с зоной локального физического воздействия (рис.4.2), имеющей искаженную кристаллическую решетку, иные механические свойства и остаточные напряжения по сравнению с основным материалом, приводит к мгновенному изменению напряженно-деформированного состояния в зоне стружкообра-зования.
Одновременно с обеспечением устойчивости процесса резания происходит дробление стружки, длина которой в соответствии с ГОСТ 2787-75 должна находиться в пределах 100...200 мм. С учетом этого условия длина отрезков прямой стружки, образующейся при пересечении плоскости резания с зоной ЛФВ, определяется выражением 1000 Г тсР3пр L = - = , мм , (4.1) где Vs- скорость резания, м/мин; - коэффициент продольной усадки стружки; пр - частота вращения заготовки, об/мин; D3 - диаметр заготовки, мм; fm - частота пересечения плоскостью резания зон ЛФВ, Гц.
Похожие диссертации на Автоматизация и управление процессом лезвийной механической обработки на основе динамического моделирования технологической системы
