Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ различных методов и способов управления процессом стружкообразования в условиях автоматизированного производства 11
1.1. Метод непосредственного воздействия на сходящую в процессе резания стружку 13
1.2. Классификация вибрационных методов дробления стружки 20
1.3. Метод стружкодробления, основанный на периодическом выходе резца из зоны резания 22
1.4. Использование гармонических колебаний для дробления стружки
в процессе резания 25
1.5. Изменение структуры поверхностного слоя материала для обеспечения процесса стружкодробления 32
1.6. Физические аспекты технологического процесса точения для управления стружкообразования 35
1.7. Выводы 50
1.8. Постановка задач исследования 53
2. Разработка метода и устройства для осуществления процесса точения при локальном термическом воздействии на обрабатываемый материал 55
2.1. Сущность метода предварительного локального физического воздействия на обрабатываемую поверхность заготовки 56
2.2. Метод локального термического воздействия на обрабатываемый материал заготов ки 58
2.2.1. Газовый метод локального термического воздействия 60
2.2.2. Электроконтактный метод локального термического воздействия 63
2.2.3. Процессы распространения тепла при локальном термическом воздействии на поверхность заготовки 64
2.3. Кинематика процесса точения при локальном термическом воздействии на материал заготовки 76
2.4. Устройство, реализующее локальное термическое воздействие на обрабатываемый материал 83
2.5. Математическое моделирование процесса стружкообразования при лезвийной обработке 86
2.5.1. Физические основы моделирования стружкообразования в процессе резания 86
2.5.2. Моделирование процесса стружкообразования 89
2.6. Результаты и выводы по главе 98
3. Динамические исследования процесса точения при локальном термическом воздействии 100
3.1. Обоснование и выбор расчетной модели технологической системы 101
3.2. Математическая модель технологической системы 104
3.3. Исследование поведения технологической системы в процессе механической обработки при локальном термическом воздействии заготовки на основе нелинейных дифференциальных уравнений 121
3.4. Моделирование напряженно-деформированного состояния обрабатываемой заготовки с локальным термическим воздействием 134
3.4.1. Моделирование зоны пластической деформации при локальном термическом воздействии в процессе стружкообразования 134
3.4.2. Моделирование контактного взаимодействия стружки при локальном термическом воздействии с передней поверхностью инструмента 140
3.5. Результаты и выводы по главе 153
4. Автоматизация и управление процесса лезвийной механической обработки на станках с автоматическим циклом на основе метода сегментирования срезаемого слоя металла 155
4.1. Теоретические и экспериментальные исследования автоматизации и управления процесса лезвийной механической обработки на станках с автоматическим циклом на основе метода сегментирования срезаемого слоя металла 156
4.2. Устойчивость сегментирования срезаемого слоя металла в процессе лезвийной механической обработки при локальном термическом воздействии на заготовку 169
4.3. Теоретические и экспериментальные исследования зависимости параметров локального термического воздействия от режимов резания при последующей обработке 177
4.4. Автоматизация выбора способа и процесса нанесения линии локального термического воздействия 185
4.5. Экспериментальные исследования физических показателей процесса механической обработки при предварительном локальном термическом воздействии на заготовку 197
4.6. Результаты и выводы по главе 201
Заключение ..203
Библиографический список 206
Приложения
- Метод непосредственного воздействия на сходящую в процессе резания стружку
- Сущность метода предварительного локального физического воздействия на обрабатываемую поверхность заготовки
- Обоснование и выбор расчетной модели технологической системы
- Теоретические и экспериментальные исследования автоматизации и управления процесса лезвийной механической обработки на станках с автоматическим циклом на основе метода сегментирования срезаемого слоя металла
Введение к работе
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 термического воздействия (ЛТВ) 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 термического воздействия на материал заготовки.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности лезвийной обработки на станках автоматах и станках с ЧПУ за счет автоматизации и управления процессом стружкодробления на основе предварительного локального термического воздействия на обрабатываемый материал.
Для достижения этой цели требуется решить следующие задачи:
- исследовать кинематические характеристики процесса точения при локальном термическом воздействии на обрабатываемый материал;
- разработать способ и устройства для осуществления процесса точения при локальном термическом воздействии на обрабатываемый материал;
- разработать динамическую модель технологической системы, с учетом реологических особенностей стружкообразования и с использованием явления фазового перехода в металлах при локальном термическом воздействии, для оценки стабильности и надежности сегментирования и дробления стружки в области неустойчивого процесса резания;
- создать программный комплекс для управления процессом стружкодробле ния на основе метода локального термического 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 ис следование процессов стружкообразования и стружкодробления осуществлялось с использованием современных вычислительных средств в экспериментально-лабораторном комплексе кафедры "Технология автоматизированного машиностроения" СЗТУ и лаборатории "Динамика и моделирование технологических систем" СПбИМаш (ВТУЗ-ЛМЗ).
Научная новизна работы заключается в следующем:
- определены кинематические характеристики для нанесения эффективной траектории локального термического воздействия на обрабатываемый материал;
- разработан эффективный метод управления процессом сегментации стружки при механической обработке резанием на станках с ЧПУ;
разработана динамическая модель технологической системы, с учетом рео логических особенностей стружкообразования с использованием явления фазового перехода в металлах при локальном термическом воздействии, для оценки стабильности и надежности сегментирования й дробления стружки в области неустойчивого процесса резания;
- предложена методика определения режимных параметров нанесения локального термического 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 решения; исполь- зованием при исследовании современных методов теории резания, динамики сложных систем, вычислительной техники; высокой 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 термическом воздействии на обрабатываемый материал;
- созданы эффективные устройства для нанесения локального термического воздействия на обрабатываемый материал на станках с ЧПУ;
- разработаны и предложены технологические рекомендации по локальному термическому воздействию на обрабатываемый материал в широком диапазоне • режимов резания;
- определены параметры нанесения на исходную поверхность заготовки локального термического 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 термического 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.
В первой главе представлен анализ существующих методов и способов дробления стружки в автоматизированных производствах. Выполнен анализ работ, посвященных изучению процессов стружкообразования и сегментированию стружки в технологической системе механической обработки резанием. В результате было установлено влияние методов и способов дробления стружки в процессе токарной обработки на основные физические закономерности процесса резания.
Во второй главе рассмотрена сущность метода предварительного локального термического воздействия на обрабатываемую поверхность заготовки, которое заключается в изменении структуры и механических свойств обрабатываемого материала в локальной зоне. Определены кинематические зависимости процесса точения заготовки, подвергнутой предварительному локальному термическому воздействию, и предложена конструкция устройств, реализующих это воздействие.
В третьей главе разработана математическая модель технологической системы обработки заготовки, подвергнутой предварительному локальному термическому воздействию, позволяющая описывать динамические процессы в технологической системе механической обработки с учетом упругопластиче-ских свойств в динамике контактного взаимодействия инструмента с заготовкой и реологических особенностей процесса стружкообразования в зоне активного пластического деформирования. На основе полученной системы уравнений в дальнейшем решаются задачи управления процессом стружкодробления.
В четвертой главе рассмотрены практические вопросы, связанные с управлением процессом стружкодробления на станках с автоматическим циклом на основе метода сегментирования срезаемого слоя металла и автоматизацией выбора параметров локального термического воздействия в зависимости от исходной шероховатости заготовки и режимов резания при ее последующей обработке. Для определения зависимости параметров температурного воздействия от режимов резания последующей обработки, при которых осуществля ется стружкодробление у различных материалов, получена математическая модель, которая учитывает взаимное влияние режимных параметров на ширину и глубину локального термического воздействия.
Реализация в промышленности. Результаты выполненных исследований и соответствующие рекомендации нашли практическое применение на предприятиях Санкт-Петербурга (Санкт-Петербурга ОАО МЗ "Арсенал", ОАО • "Инженерный центр по технологии и материалам"), а также на ОАО "Онеж ский тракторный завод" (г. Петрозаводск).
Материалы исследований в виде рекомендаций, методических указаний и лекционного материала введены в учебный процесс подготовки в СЗТУ инженеров по специальности 120100 "Технология машиностроения". Результаты исследований использованы в лабораторных работах, лекционных курсах, курсо- вом и дипломном проектировании дисциплин "Резание мактериалов", "Режу щий инструмент и инструментальное обеспечение автоматизированного производства", "Математическое моделирование процессов резания, режущего инструмента и станков", "Автоматизация производственных процессов в машиностроении".
Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследо- «9 ваний докладывались и обсуждались на Всероссийских и Международных конференциях и на научно-технических семинарах: Всероссийской научно-технической конференции (Рыбинск 1999 г.), Международной конференции «Сварка, электротермия, механообработка» (Санкт-Петербург 1999 г., 2003г.), конференция, посвященная памяти В.П. Булатова «Актуальные проблемы машиноведения: качество, точность, износостойкость» (Институт проблем машиноведения РАН 2003г.), на семинарах Северо-Западного государственного заочного технического университета (1996-2002гг.), Санкт-Петербургского института машиностроения (2000-2001 гг.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ.
Метод непосредственного воздействия на сходящую в процессе резания стружку
Метод непосредственного воздействия на сходящую в процессе резания стружку включает в себя метод, позволяющий отводить стружку из зоны обработки без изменения ее формы и механических свойств, и некинематический метод, оказывающий механическое и физическое воздействие на процесс стружкообразования.
Метод, позволяющий отводить стружку из зоны резания без изменения ее формы, имеет ряд эффективных способов, прежде всего, это компоновка узлов станка, обеспечивающая безопасный сход стружки. Главной конструктивной особенностью таких станков является вертикальное расположение станины, что позволяет стружки беспрепятственно попадать в стружкоприемник.
Также в автоматизированном производстве широко используются приемники стружки для станков токарной группы, которые в зависимости от типа производства и методов обработки устанавливают рядом с режущим инструментом либо совмещают с корпусом державки режущих инструментов. На рис. 1.2 показан приемник, предназначенный для использования в единичном и серийном производстве при обработке стандартными резцами. Приемник установлен впереди резцедержателя так, чтобы его всасывающий патрубок располагался как можно ближе к зоне резания и как можно полнее охватывал движущуюся элементную стружку. Приемник имеет отверстие, через которое проходит резец. Между отверстием приемника и резцом имеются зазоры 1—3 мм. Приемник соединен с трубопроводом посредством телескопического соединения и имеет возможность перемещаться в поперечном направлении при загрузке и разгрузке станка. При смене инструмента или повороте резцедержателя приемник отводится на расстояние, достаточное для разворота резца на 90 [54].
Несмотря на простоту изготовления и невысокую стоимость устройства для отвода стружки без изменения ее формы при обработке заготовок на станках с автоматическим и полуавтоматическим циклами работы малоприемлемы. Это связано с тем, необходима установка вблизи станков специальных бункеров для сбора стружки. А так как стружка занимает большой объем, то требуется применение дополнительных устройств для смятия и ломания сошедшей стружки. Это ведет к увеличению площади рядом с основным оборудованием и расходованию энергии, что в конечном итоге приводит к удорожанию процесса обработки. Полые державки используют для отвода пыли и мелкой дробленой стружкой.
Особо следует выделить устройства предназначенные дробить, сходящую в процессе резания стружку, на отдельные элементы. Существует два способа, благодаря которым достигается рассекание стружки, следующее за основной механической обработкой. Один способ, основан па механическом воздействии на сходящую стружку с помощью стальных рифленых роликов (рис. 1.3.) [75], а другой способ - на физическом воздействии на стружку. В этом случае электроискровым разрядом создается интенсивное тепловое воздействие, пережигающее стружку [101].
С помощью таких устройств процесс дробления стружки протекает стабильно, но сложность конструкции накладывает ограничения на область их применения, особенно в условиях автоматизированного производства.
Поэтому более рациональными являются методы, изменяющие форму стружки в процессе точения, т.е. некинематические. Некинематический метод дробления стружки основан на создании условий, обеспечивающих изменение механических свойств и возникновение дополнительных местных напряжений в сечении стружки при неизменных кинематических параметрах процесса резания. К простым способам относится завивка стружки в винтовую спираль, что позволяет значительно уменьшить длину стружки сходящей из под резца, однако при этом не решается проблема стружкодробления.
Некинематический метод включает в себя способы, оказывающие механическое и физическое воздействие на процесс стружкообразования [100, 101]. Кроме того, дробление стружки может достигаться путем подбора соответст вующих режимов резания, создания специальных марок сталей и сплавов для заготовок и разработки технологических режимов их термической обработки [27, 54, 78]. Благодаря своей относительной простоте, этот метод получил широкое распространение, однако, он способствует снижению стойкости резцов, повышению расхода электроэнергии и не обеспечивает надежного дробления стружки при изменении режимов резания и при обработке высокопрочных, жа ропрочных и пластичных сплавов.
Механические способы дробления стружки можно разделить на три группы. К первой группе относятся способы, основанные на изменении геометрии токарных резцов. Применение специальных типов заточек передней грани режущего инструмента таких, как двойной угол, выкружки, порожки круглые, секторные и продольные лунки, отрицательные фаски на главной и вспомога тельной режущих кромках обеспечивает необходимый характер завивания стружки и принудительное направление ее на обрабатываемую поверхность за готовки (рис. 1.4... 1.7, а, б) [27,42].
Такие резцы работают в узком диапазоне режимов резания и обрабатываемого материала, т.к. при износе передней поверхности резца процесс стружкодробления прекращается. Область применения резцов с двойной заточкой ограничена еще и тем, что ими не возможно обрабатывать уступы, а также сложностью изготовления для обработки малых припусков при чистовом точении.
Ко второй группе относятся различные типы стружкозавивагощих и стружколомающих устройств, являющихся препятствием на пути движения сходящей стружки, вызывая ее дополнительную деформацию и снижение пластических свойств (рис. 1.7 в, г). Наиболее надежной и работоспособной является конструкция, в которой резцовая пластинка с завивателем касается по всей шлифованной плоскости их взаимного контакта, не оставляя возможности для появления зазора. Крепление стружколома осуществляется пайкой или с помощью винтов, в этом случае можно производить его регулировку в зависимости от режимов обработки [54].
Сущность метода предварительного локального физического воздействия на обрабатываемую поверхность заготовки
Предварительное локальное физическое воздействие (ЛФВ) на внешнюю поверхность срезаемого слоя, производимое по определенным законам, позволяет изменять условия деформации металла при резании [28,29, 59]. Особенностью процесса точения заготовок, подвергнутому такому воздействию, заключается в периодическом изменении условий резания по сравнению с исходным материалом.
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 мета-стабильном состоянии по сравнению с основным металлом, приводит к мгновенному изменению напряжен но-деформирован ного состояния в зоне стружко-образования [17].
Локальная метастабильность, оказывающая влияние на реологические параметры процесса стружкообразования, создается в области предполагаемого припуска срезаемого слоя материала на внешней поверхности заготовки по специально заданной траектории точкой С (рис.2Л, а), которая на этапе подготовки формируется частотой вращения заготовки пт и подачей $т устройства для создания ЛФВ [28 29, 59]. Физическое воздействие на поверхность материала в локальной зоне приводит к изменению плотности дефектов кристаллической решетки, образующих высокоэнергетическис конфигурации [28, 29], что приводит к возникновению повышенной метастабильности структуры в этой локальной области, В последующем при лезвийной механической обработке с частотой вращения заготовки пр и подачей sp режущая кромка инструмента в плоскости резания пересекается в точке С с зоной локального физического воздействия (рис.2,1, 6), Зола локального воздействия { тХЬт) Q искаженной кристаллической решеткой (см. рис.2.2), имеющая иные механические свойства по сравнению с основным материалом, приводит к мгновенному изменению напряженно-деформированного состояния в зоне стружкообразования.
Как уже отмечалось выше сущность метода предварительного локального воздействия состоит в том, что на этапе подготовки заготовки производят физическое воздействие на ее поверхность с целью изменения физико-механических свойств обрабатываемого материала.
Метод локального температурного воздействия (ЛТВ) на обрабатываемую поверхность аналогичен методам, применяемым для поверхностной закалки стали [28,29,63]. Сущность локального термического воздействия состоит в нагреве поверхностного участка стальной заготовки выше температуры фазово 59
го перехода Асз с последующим охлаждением для получения высокой твердости в обработанной зоне (рис. 2.4)- В результате структура закаленной зоны состоит из мартенсита, а переходной зоны из мартенсита и феррита, так как ее охлаждение происходит из промежуточного температурного интервала Acs -Асі- Более глубокие слои металла нагреваются до температуры ниже критической, поэтому изменения структуры в них не происходит- Линии 3 показывают температуры критических точек Асі и Ас$ Слой ау нагретый выше критической точки Acj получит полную закалку, а слой в, нагретый выше точки Ас но ниже точки Acjj получит не полную закалку. Часть слоя а, наиболее близко прилегающего к поверхности, получит нагрев, превышающий точку Ас 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.
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 ЛсДрис. 2,5).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 (рис. 2.5).
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 (рис, 2.5).
Обоснование и выбор расчетной модели технологической системы
Определить динамическое состояние технологической системы механической обработки можно, построив границы области ее устойчивости. Для этого необходимо: а) построить динамическую модель технологической системы как замк нутую потенциально автоколебательную систему с максимально доступной полнотой учета инерционных и упруго-диссипативных свойств технологиче ской системы; б) осуществить переход исходной многомерной модели к упрощенной динамической модели, эквивалентной относительно спектральных характери стик исходной с использованием обоснованного критерия близости в заданном частотном диапазоне; в) в пространстве параметров построить границы области устойчивости технологической системы.
Для проведения качественного анализа динамических свойств технологической системы необходимо построить математическую модель системы» выбор схемы которой связан, прежде всего, с выделением подсистем и выявлением структуры связей между ними, определением числа степеней свободы и вида обобщенных координат, необходимых для полного описания процессов, происходящих в технологической системе [42, 51, 60].
Динамическую модель технологической системы механической обработки можно представить как сложную систему - иерархически организованную и целенаправленно функционирующую совокупность большого числа информационно связанных и взаимодействующих элементов [60, 104]. Группы элементов, объединенных в блоки, рассматриваются как подсистемы сложной системы. К числу таких подсистем относятся станок, приспособление, инструмент, заготовка. Хотя динамические свойства отдельных подсистем могут быть достаточно полно исследованы, получение удовлетворительной глобальной модели технологической системы является весьма сложной задачей. Указанное объясняется специфическим проявлением интегративного свойства, присущего системе в целом и характеризующегося сложной структурой связей при взаимодействии подсистем.
Учитывая современные возможности средств вычислительной техники, структурная сложность модели и большое число обобщенных координат при дискретизации системы на основе методов конечных элементов (МКЭ) не является принципиальным моментом» обосновывающим необходимость перехода к упрощенным моделям. Однако, и здесь речь может идти только об использовании эффективных вычислительных схем и алгоритмов, ограничивающих накопление погрешностей, которые могут существенно исказить исследуемый процесс.
Исходная глобальная модель технологической системы в ограниченном частотном диапазоне может быть сколь угодно близко отображена упрощенной динамической моделью при соответствующей идентичности амплитудно-фазово-частотных характеристик (АФЧХ). Указанное базируется на представлении о близости частот автоколебаний, характерных для технологической системы, ее собственным частотам вследствие слабой диссипативности.
В связи с вышеизложенным, адекватный переход к модели малой размерности осуществляется исходя из ограниченности частотного диапазона возмущений и слабо диссипативных свойств технологической системы. Обоснованность по мере близости спектральных характеристик исходной и упрощенной модели осуществлялась по методике д-ра техн. наук, профессора ВЛ. Вейца [11,20,21].
Выполнение условий (3.1) и (3.2) обеспечивает близость амплитудно-частотных и фазовых характеристик (АЧХ и ФЧХ) обобщенной и упрощенной моделей На рис, ЗЛ представлена четырехкоптурпая динамическая модель технологической системы механической обработки малой размерности с диссипа-тивными характеристиками, учитывающими конструктивное демпфирование и реологические процессы рассматриваемой глобальной модели, которой соответствуют две подсистемы с четырьмя обобщенными координатами: а) - подсистема заготовки 3 с координатами ы w; б) - подсистема инструмента Я с координатами x,yt Поиск оптимальной эквивалентной модели путем аналитического решения задачи в общем случае не представляется возможным. Поэтому ее построение целесообразно выполнять численными методами поиска, который рекомендуется начинать с простейшей одномассовой двухконтурпой модели-
Из способов исследования технологической системы шляеюя ее математическое моделирование» второе позволяет выпилишь исследования, связанные с выбором оптимальных режимов обработки. Математическое описание поведения технологической системы па фсіюмспологйчссїсом уровне следует раеемагрившъ кж аппроксимацию динамических процессов, опирающуюся на результаты экспериментальные исследований й позволяющую идентифицировать в рамках принятой концепции величину запаздывания силы рзания по отношению к перемещению инструмента» силы трения по отношению к силе резания, постоянные времени и коэффициенты передачи соответствующих аппроксимирующих звеньев.
В свете современных представлений процесс стружкообразования при резании имеет дискретный хараісгер [11, 15-18, 52, 104], определяемый наличием нескольких фаз образования стружки. Выполненный анализ [104] позволяет с достаточной точностью дискретный процесс резания аппроксимировать непрерывнымю
Теоретические и экспериментальные исследования автоматизации и управления процесса лезвийной механической обработки на станках с автоматическим циклом на основе метода сегментирования срезаемого слоя металла
Локальная метастабильность, создаваемая на подлежащей обработке поверхности заготовки по специально заданной траектории в области предполагаемого припуска срезаемого слоя материала с глубиной hm и шириной воздействия, приводит к локальным изменениям структуры материала и образованию отличных от основного материала упругодиссипативных свойств- На рис. 4.1 в качестве иллюстрации изменений свойств материала при локальном тер-мическом воздействии приведена широко распространенная графическая ин терпретация изменения напряжения 7 от деформации Є. По кривым напряжение - деформация, можно судить, что в исходной структуре материала и в зоне локального температурного воздействия модули упругости Е, отражающие в первом приближении квазиупругую характеристику сг, имеют одинаковый угол наклона #d = arctgE9 и различные модули пластичности Р, для кривой 1 - &сг — arctgP {с2) и для кривой 2 - &\г — arctgP \с2). При локальном термическом воздействии на материал обрабатываемой заготовки происходит изменение механических свойств обрабатываемого материала: предела текучести - тг, предела прочности - условного - оЕ9 и истинного - Sk9 относительного удлинения - S, а, следовательно, и коэффициента упрочнения -кпл Это воздействие на технологическую систему обусловливает периодическое изменение ее параметров.
Исследование поведения технологической системы в процессе механической обработки с использованием метода локального воздействия выполнялось на основе четырехконтурной динамической модели (см. рис, 3.1) при контактном взаимодействии подсистем заготовки и инструмента, отображенной многоэлементной реологической моделью стружкообразования (см. рис, 3.2),
Моделирование квазиупругих и диссипативных характеристик процесса стружкообразования в исходном материале Gl\cl4c29/32} и в локальной зоне G2\cl9c29j32} осуществлялось по методике, изложенной в работе [23]- В качестве модели для процесса стружкообразования зоны пластического деформирования и фрагмента стружки, образуемого при контакте по передней поверхности инструмента с локальным физическим воздействием, была принята схема, приведенная на рис. 4.2. Выделенные фрагменты пластического деформирова ния и элемента стружки разделены на элементы. Метод конечных разностей на равномерной сетке позволил для заданных перемещений рассчитать перемещение внутренних узлов сетки для исходного материала и для выделенного фрагмента, отражающего локальное термическое воздействие (рис.4,3). Па рис. 4А приведена зависимость изменения напряжения ?х и деформации Є во времени
t для материала из стали 45 в исходном состоянии и для состояния, отражающего локальное термическое воздействие-Пример фрагмента развития пластических зон по сечению деформируемого материала при перемещении режущего инструмента приведен на рис.4.5, который по распределению интенсивности деформации Є позволяет определить угол сдвига fi,
Исходя из режимных параметров возможно использование локального термического воздействия на обрабатываемую поверхность заготовки различной глубины, что позволило принять для моделирования процесса схему расположения зон локального воздействия в срезаемом слое при различных соотношениях глубины воздействия Ьт и глубины срезаемого слоя а (рис. 4,6).
Решение систем уравнений (3-60) при реализации условий деформации и фазовых переходов (3.14), а также функции управления по локальному термическому воздействию (4ЛХ позволило построить границу области устойчивости в плоскости параметров bc—vs (рис, 4.7) при резании с предварительно подготовленной поверхностью заготовки методом термического воздействия,
В связи с тем, что при токарной обработке в реальных условиях устойчивость технологической системы зависит от многих факторов и изменение любого из них может привести к неустойчивому процессу резания, то необходимо иметь представление о влиянии такого процесса на стружкодробление при обработке заготовки, подвергнутой локальному термическому воздействию.
Теоретические и экспериментальные исследования поведения технологической системы станка при лезвийной обработке заготовок с локальным термическим воздействием показали, что асинхронное воздействие переменных составляющих квазиупругих и диссипативных параметров зоны термического воздействия» обусловленное различием структуры и механических свойств в основном металле и в локальной зоне, позволяет обеспечивать дробление стружки широкого класса обрабатываемых материалов на отрезки заданной длины, что увеличивает производительность и точность механической обработки. Отклонения теоретически полученной границы области устойчивости (рис.4Л) от построенной по экспериментальным данным составили 17...23 %.
При обработке заготовок с предварительно подготовленной поверхностью методом локального термического воздействия наблюдается отделение витков стружки длинной Ltium (2Л7). На рис. 4Л5 приводятся области устойчивого сегментирования стружки в плоскости параметров х , при обработке сталей 45,4X13 и 08Х18Н10Т, поверхности которых были предварительно подвергнуты локальному термическому воздействию. Здесь Ъс - ширина срезаемого слоя металла.
