Введение к работе
Актуальность работы. Современные тенденции развития машиностроения в совокупности с использованием автоматизированных станочных систем предъявляют требования к повышению производительности, точности размеров и качества обрабатываемых поверхностей деталей машин.
Один из факторов, влияющих на качество изготовления деталей, связан с обеспечением устойчивости стационарных траекторий движения инструмента относительно заготовки. Они задаются программой ЧПУ станка. Поэтому при проектировании технологического процесса при изготовлении деталей на станках с ЧПУ кроме традиционных факторов чисто геометрического характера необходимо подбирать технологические режимы, инструмент и, в некоторых случаях, обеспечивать компоновку станка исходя из обеспечения устойчивости стационарных траекторий движения инструмента относительно заготовки. Исследования в области устойчивости процесса резания в настоящее время имеют большую предысторию. В диссертационном исследовании развиваются указанные представления о процессе резания в части выявления новых, не рассмотренных ранее механизмов потери устойчивости, влияния на устойчивость геометрии режущего инструмента, определения по критерию устойчивости технологических режимов и некоторых особенностей компоновки подсистем станка. Указанные обстоятельства определяют актуальность темы диссертационного исследования для науки и практики.
Степень разработанности проблемы. Исследованиям в области устойчивости процесса резания посвящены работы Васина С.А., Васина Л.А., Вейца В.Л., Бржозовского Б.М., Городецкого Ю.И., Жаркова И.А., Заковоротного В.Л., Кудинова В.А., Кузнецова В.П., Мурашкина Л.С., Мурашкина СЛ.С., Остафьева В.А., Соколовского А.П., Эльясберга М.Э. и др. В этих исследованиях выявлены механизмы потери устойчивости за счет запаздывания вариаций сил резания по отношению к упругим деформационным смещениям инструмента относительно заготовки, за счет неоднозначной зависимости вариаций сил при врезании инструмента в заготовку и при его выходе, за счет кинетической характеристики сил, проявляющейся в уменьшении сил по мере увеличения скорости, и др. Эти механизмы фактически определяют свойства связи, формируемой процессом резания, которая объединяет подсистемы станка со стороны заготовки и режущего инструмента. Однако все рассматриваемые в настоящее время модели являются скалярными, так как силы рассматриваются в функции одной координаты смещений инструмента относительно заготовки. Однако деформационные смещений инструмента относительно заготовки и вариации сил, обусловленные этими деформационными смещениями, происходят в пространстве. Именно векторное представление, как о подсистемах, так и о связи, формируемой процессом резания, характеризуют направление дальнейшего совершенствования взглядов на устойчивость процесса резания. Векторное представление не только уточняет механизмы потери устойчивости, но и открывает новые пути ее обеспечения.
Целью исследования диссертации является повышение эффективности процесса точения за счет выбора его технологических режимов и конструктивных особенностей по критерию устойчивости обработки.
Для достижения этой цели в работе решаются следующие задачи:
1.Разработать обобщённые динамические модели подсистем режущего инструмента и обрабатываемой заготовки в задачах динамики процесса резания, отличающиеся от известных тем, что анализируются векторные модели системы.
2. Создать методы и алгоритмы параметрической идентификации динамических моделей для подсистем режущего инструмента и заготовки. Проиллюстрировать методику идентификации на конкретных примерах.
3. Разработать математические модели динамической связи, формируемой процессом резания в линеаризованном представлении, то есть для решения задач устойчивости процесса обработки.
4. Провести изучение устойчивости процесса резания для случая векторного представления о динамической связи, формируемой процессом резания, и пространственных упругих деформационных смещений инструмента и заготовки в точке контакта с ней вершины инструмента. Изучить не рассматриваемые ранее механизмы потери устойчивости за счёт формирования циркуляционных сил, а также преобразования суммарной матрицы скоростных коэффициентов динамической системы резания, с учетом формируемой процессом резания динамической связи.
5. Выполнить экспериментальные исследования, направленные на доказательство адекватности предложенных моделей и на идентификацию параметров динамической связи, формируемой процессом резания, а также подсистем инструмента и заготовки.
6. Разработать алгоритмы и создать программное обеспечение для экспериментальных динамических исследований изменений системы резания и на этой основе провести экспериментальное изучение основных изменяющихся параметров.
7. Предложить не рассматриваемые ранее направления повышения устойчивости процесса резания на основе выделения областей устойчивости в пространстве варьируемых параметров технологических режимов. Сформулировать новые пути повышения устойчивости процесса резания на основе совершенствования конструктивных элементов станков и выбора инструмента, в том числе его геометрии.
Объектом исследования является динамическая система резания, представляющая совокупность взаимодействующих через процесс обработки подсистем металлорежущего станка со стороны инструмента и заготовки.
Предметом исследования являются механизмы потери устойчивости движения вершины инструмента относительно заготовки и факторы, влияющие на устойчивость.
Методологической базой исследований является сочетание методов экспериментальной динамики для идентификации динамических подсистем и связей, формируемых процессом резания, с методами прямого цифрового моделирования на основе построения математических моделей.
Теоретической базой исследования является динамика металлорежущих станков, теория колебаний систем, представленных пространственными конечномерными моделями, и устойчивости движения, в частности, методы выделения областей устойчивости в пространстве варьируемых параметров.
Экспериментальной базой исследований являются специализированные экспериментальные стенды на базе токарных станков, снабженных измерительными интерфейсами и приборами, связанными с персональной ЭВМ на основе прямого доступа в ее память. Экспериментальные исследования проводились по методикам и программам, разработанным на кафедре «Автоматизация производственных процессов» ДГТУ. Обработка данных и реализация алгоритмов идентификации, а также цифровое моделирование осуществлены с помощью программ, разработанных автором.
Научные результаты, выносимые на защиту:
-Математические модели динамической системы резания, включающие подсистемы станка со стороны режущего инструмента и заготовки, а также динамической связи, объединяющей взаимодействующие подсистемы в единую систему.
-Методики и результаты параметрической идентификации математических моделей, основанные на методах экспериментальной динамики. Связь параметров динамической характеристики процесса резания с технологическими параметрами и параметрами подсистем инструмента и заготовки.
-Новые, не рассматриваемые ранее, механизмы потери устойчивости, а также уточнения известных механизмов потери устойчивости.
-Новые направления обеспечения устойчивости за счет рационального выбора геометрии инструмента, компоновки суппортной группы и выделения областей устойчивости в параметрическом пространстве, а также в пространстве технологических режимов.
Научная новизна диссертационной работы:
1. Главные отличительные особенности диссертационной работы от существующих заключается в том, что предложена векторная модель подсистемы процессом резания. Рассмотрение пространственных деформационных смещений инструмента, заготовки и сил, формируемых в функции деформационных смещений, позволило впервые показать, что в вариациях относительно точки равновесия в динамической системе резания естественным образом образуются циркуляционные (непотенциальные) и гироскопические силы.
2. Разработанная методика и выполненные экспериментальные исследования по идентификации параметров динамической модели подсистем режущего инструмента и заготовки позволили выявить основные закономерности изменения их математических моделей. В частности показано, что после предварительного нагружения подсистемы инструмента ее упругие свойства в пространстве представимы в достаточно большом диапазоне вариаций внешних сил в виде матрицы динамической жесткости. Поэтому в подсистеме инструмента упругие свойства можно моделировать эллипсоидом пространственной жесткости, имеющим три взаимно перпендикулярных оси коллинеарных направлений деформационных смещений. Показано также, что диссипативные свойства подсистемы инструмента также представимы в виде матрицы скоростных коэффициентов, причем ориентация эллипсоида упругости деформационных смещений совпадает с ориентацией эллипсоида скоростных коэффициентов. Что касается подсистемы заготовки, то в связи с симметрией ее деформационных свойств всякая ортогональная система координат, нормальная к оси ее вращения, формирует системы главных осей деформации.
3. Предложена методика, и выполнена идентификация параметров линеаризованной в окрестности равновесия динамической связи, формируемой процессом резания. Динамическая связь, формируемая процессом резания, в этом случае определяется своими матрицами динамической жесткости и скоростных коэффициентов собственно процесса резания. Показано, что на элементы этих матриц оказывают влияние технологические параметры, геометрия инструмента и физико-механические характеристики обрабатываемой заготовки. Получены закономерности, позволяющие связать технологические параметры, геометрию инструмента и условия обработки, в том числе физико-механические характеристики обрабатываемой заготовки, с параметрами динамической связи, формируемыми процессом резания.
4. Векторное представление о динамической системе процесса резания позволило выявить ряд не рассматриваемых ранее механизмов потери устойчивости равновесия в динамической системе резания. В частности, показано, что один из механизмов, не рассматриваемых ранее, потери устойчивости связан с формированием циркуляционных сил. Раскрыты также условия, при которых циркуляционные силы не влияют на потерю устойчивости равновесия.
5. На основе использования методов D – разбиения, а также использования законов аналитической механики, выполнено системное исследование условий потери устойчивости в параметрическом пространстве математических моделей, а также в пространстве технологических режимов и при изменении геометрических параметров инструмента. Эти исследования позволили наметить не рассматриваемые ранее пути повышения области устойчивости процесса резания, заключающиеся в выборе рациональной геометрии инструмента, а также компоновке и конструктивных особенностях подсистемы суппортной группы, а также державок для инструмента. Эти методы во многом опираются на скаляризацию упруго диссипативных свойств подсистемы инструмента.
Теоретическая значимость работы заключается в том, что в работе выявлены не анализируемые ранее механизмы потери устойчивости динамической системы резания. Кроме этого, в отличие от имеющихся исследований, динамическая связь, формируемая процессом резания, рассматривается в векторном (пространственном) представлении. К тому же выявлены новые свойства упругих подсистем, взаимодействующих с процессом резания, позволяющие наметить не рассматриваемые ранее пути повышения устойчивости. В частности на основе выполненных экспериментальных исследований показано, что матрицы упругости и диссипации в линеаризованном представлении имеют совпадающие между собой ориентации эллипсоидов жесткости и диссипации.
Практическая значимость диссертационного исследования заключается в следующем.
1. Установлена связь параметров динамической системы резания с технологическими параметрами: скоростью резания, глубиной и величиной подачи на оборот. Это позволило, на основе методов выделения областей устойчивости в пространстве варьируемых параметров разработать алгоритмы и привести примеры выделения областей устойчивости в пространстве режимов резания. Это имеет принципиальное значение в задачах технологической подготовки производства, в том числе при построении программы ЧПУ при обработке конкретных деталей.
2. Одним из эффективных путей повышения устойчивости процесса резания является управление геометрическими параметрами инструмента, прежде всего передним углом режущего инструмента и углом наклона режущей кромки. Эти данные открывают новое направление оптимизации геометрических параметров инструмента по критерию устойчивости процесса резания. Это направление позволяет изменять области допустимых вариаций технологических режимов на стадии проектирования технологического процесса.
3. Показано, что одним из путей повышения устойчивости процесса резания является рациональное изменение конструкции суппортных групп станков. Кроме этого, одним из путей повышения устойчивости процесса резания является использование державок резца со структурированными свойствами пространственной анизотропии. Такие резцедержавки разработаны проф. С.А.Васиным.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационная работа представляет собой решение актуальной научно-технической задачи повышения эффективности процесса резания за счет обеспечения асимптотической устойчивости траекторий формообразующих движений инструмента относительно заготовки. Содержание исследований соответствует специальности 05.02.07 «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки». Области исследования: №1 (теория и практика проектирования станочных систем), №2 (теоретические основы, моделирование и методы экспериментального исследования процессов механической обработки) и №4 (создание, включая проектирование, расчеты и оптимизацию, параметров инструмента и других компонентов оборудования).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях: «Инновация, экология и ресурсосберегающие технология на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства» в Ростове-на-Дону, 2010г., «Современные проблемы информатизации в экономике и обеспечении безопасности» в Воронеже, 2011г., и ряде других.
Соответствие научному плану и целевым комплексным программам. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 07-08-90000 вьет_а «Разработка принципов динамического мониторинга и управления эволюцией динамической системы, взаимодействующей с процессом резания, на основе синергетической концепции», а также в соответствии с планом научных работ ДГТУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 7 в журналах, рекомендованных ВАК Российской Федерации (всего 10,08 п. л., лично автором – 3,16 п. л.).
Объем работы. Содержание диссертационной работы изложено на 265 страницах и включает в себя 98 рисунков и 5 таблиц. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка используемой литературы и приложений.
