Введение к работе
Актуальность. Модернизация экономики страны обуславливает реализацию в промышленности высоких технологий, связанных в сфере машиностроительного производства с переходом к высокоточной обработке на станках с числовым программным управлением (ЧПУ). В то же время экономика современного производства диктует необходимость максимального повышения производительности процессов обработки, чтобы в короткие сроки окупались затраты на приобретение весьма дорогостоящего высокотехнологичного оборудования.
Однако повышение режимов резания в процессе точения высокопрочных труднообрабатываемых материалов на станках ЧПУ приводит к существенному увеличению силовых и температурных контактных нагрузок и сопровождается нарушением работоспособности инструмента. При этом изменяется характер проявления отказов инструмента и вместо образования фаски износа преобладающими становятся разрушения с накоплением повреждений, которые проявляются в виде выкрашиваний, а также микро- и макросколов режущих лезвий.
Точение на станках с ЧПУ сложных поверхностей вращения (СПВ) с прямолинейными и криволинейными образующими (до 70% от общей площади) деталей из высокопрочных труднообрабатываемых материалов, используемых в авиастроении, энергетическом, нефтегазовом машиностроении и др., происходит в специфических условиях нестационарного резания и сопровождается интенсивным разрушением режущих лезвий, что приводит к снижению точности обработки и нерегла-ментированным отказам инструмента. Обеспечение точности формообразования СПВ деталей из жаропрочных сталей и сплавов на практике достигается за счет «уточнения» выдерживаемых размеров, связанного с выполнением дополнительных проходов в сочетании со снижением режимов резания. Тем не менее, существенное увеличение трудоемкости обработки в условиях реального производства сопровождается повышенными издержками по инструментальным расходам, браку и простоям автоматизированного технологического оборудования с ЧПУ.
С учетом накопления повреждений инструмента диктуемое условиями производства обеспечение стабильности обработки на станках с ЧПУ предопределяет необходимость эффективного управления процессами нестационарного резания. Это обуславливает разработку моделей и алгоритмов, а также способов и устройств для диагностики и управления с оперативным вводом коррекций одновременно по режимам резания и по траекториям движения формообразующего режущего инструмента (ФРИ), что при модернизации производства принципиально может быть реализовано с использованием станков, оснащенных современными системами ЧПУ.
Проведенный при выполнении диссертационной работы анализ показал, что комплексное решение актуальных задач современного высокотехнологичного машиностроительного производства может быть реализовано разрешением научной проблемы - максимального повышения производительности обработки жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ, обеспечиваемым разработкой методологии максимального (наиболее полного) использования ресурса режущего инструмента по критерию прочностности при совершенствовании теории и практики управления процессами его нагружения.
Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка методологии оценки накопления повреждений твердосплавного режущего инструмента, а также совершенствование теории и практики управления процессами его нагруже-ния в условиях нестационарного резания как основы наиболее полного использования его ресурса по критерию прочности для максимального повышения производительности обработки жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ.
На основании результатов анализа для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Разработать экспериментальные установки и методы исследований деформирования и разрушений режущего инструмента в процессе точения жаропрочных сталей и сплавов. Разработать модели накопления повреждений и установить взаимосвязь деформирования срезаемого слоя с напряженно-деформированным и тепловым состоянием инструмента при его нагружении.
Исследовать изменения процессов деформирования срезаемого слоя во взаимосвязи с силовыми и температурными контактными нагрузками в специфических условиях перехода от образования сливной к образованию суставчатой (циклической) стружки при точении жаропрочных сталей и сплавов.
Разработать концепцию прогнозирования работоспособности и ресурса инструмента по критерию прочности для ее использования при исследованиях накопления повреждений и разрушений режущих лезвий в условиях нестационарного резания высокопрочных труднообрабатываемых материалов.
Применительно к условиям точения СПВ деталей из жаропрочных сталей и сплавов разработать систему диагностики, обеспечивающую определение отклонений расположения элементов ТС при их нагружении в процессе нестационарного резания, а также систему формирования и оперативного ввода соответствующих коррекций в процесс обработки на станках с ЧПУ.
Сформировать программный комплекс и аппаратное обеспечение диагностики и управления обработкой на станках с ЧПУ, а также разработать систему инструментов и алгоритмы управления процессами деформирования срезаемого слоя и нагружения инструмента, обеспечивающие его работоспособность в условиях нестационарного резания при наиболее полном использовании ресурса по критерию прочности режущего инструмента.
Методы исследований. Для исследований напряженно-деформированного состояния режущей части инструмента из металлокерамических твердых сплавов и инструментальных сталей созданы установки, а также отработан и применен метод лазерной нанометрии деформирования режущего инструмента (А С. 1173179). Разработаны установки и методики лазерного сканирования прямолинейных и криволинейных лезвий режущего инструмента (АС. 1089539). Разработаны основанные на принципах мехатроники способы и устройства для оперативного определения непосредственно в процессе резания параметров деформирования срезаемого слоя по величине усадки стружки (Пат. 2254210, Пат. 2311990). Использованы основные положения, методология и методы технологии машиностроения, теории резания и теории автоматического управления, теории конечных пластических деформаций, теории прочности, фрактографии и механи-
ки разрушений, вычислительной математики, математической обработки результатов экспериментов, компьютерного моделирования и программирования. Разработанные вычислительные алгоритмы и программы имеют оригинальное авторское содержание (Сеид. ОРП. 2003611797, 2003611798, 2007613348, 2008610386, 2008610387, 2008610388). Экспериментальные исследования и их технологическая привязка к условиям производства проведены в лабораториях ГОУ ВПО «ТюмГНГУ», а также на базе ОАО «ТЮМЕНСКИЕ АВИАДВИГАТЕЛИ», ОАО «Газтурбосервис», ОАО «Сибнефтемаш», ОАО «СТАНКОСЕРВИС» с использованием современных аттестованных приборов, методов и средств измерений.
Достоверность результатов исследований. Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы теоретическими решениями, базирующимися на положениях механики и теплофизики процессов резания, теории упругости, теории пластичности, механики деформируемого тела, физики оптических явлений. Принятые допущения получили мотивированное обоснование. Во всех необходимых случаях осуществлена экспериментальная проверка теоретических решений. При проведении экспериментальных исследований использована аттестованная измерительная техника. Достоверность и обоснованность теоретических выводов подтверждена данными производственных испытаний, а также экспериментальными данными, полученными лично соискателем и при его непосредственном участии.
Научная новизна. Разработаны теоретические положения и научно обоснована методология обеспечения работоспособности инструмента на основе наиболее полного использования его ресурса по критерию циклической прочности в процессе точения жаропрочных сталей и сплавов.
С использованием метода лазерной нанометрии деформирования инструмента непосредственно в условиях резания жаропрочных сталей и сплавов определены параметры деформирования, а также установлены закономерности распределения силовых и температурных деформаций и напряжений в режущем клине инструмента из инструментальных сталей и металлокерамических твердых сплавов.
С использованием метода лазерного сканирования установлен вид и экспериментально подтверждена адекватность моделей накопления повреждений, обусловленных разрушением лезвий инструмента в процессе точения жаропрочных сталей и сплавов. Получены зависимости параметров накопления повреждений от величин контактных напряжений и температур, а также числа циклов нагружения режущих лезвий.
Научно обоснована, выдвинута и подтверждена результатами экспериментальных исследований гипотеза об условиях перехода от образования сливной к образованию суставчатой стружки при достижении конечных пластических деформаций удлинения в направлении текстуры стружки, формирующейся при резании. Создана кинематическая модель формирования суставчатой стружки, разработаны алгоритмы определения геометрических параметров образующихся при этом элементов. Это позволило схематизировать распределение напряжений, а также получить модели параметров контактного взаимодействия в зоне резания и
на рабочих поверхностях лезвий твердосплавного инструмента при его циклическом нагружении.
Установлено, что при оценке прочности инструмента напряженное состояние режущего лезвия в различных фазах формирования элементов суставчатой стружки описывается асимметричными циклами сложной системы напряжений. При этом работоспособность инструмента определяется удельной работой и относительным объемом разрушения его лезвий, а также кумулятивной функцией накопления повреждений Пальмгрена-Майнера, являющейся одновременно энергетической и вероятностной характеристикой прочности режущего инструмента.
Предложена концепция прогнозирования, а также модель ресурса режущего инструмента по критерию циклической прочности при нестационарном резании. Концепция основана на определении допускаемого прочностью инструментального твердого сплава числа циклов нагружения режущих лезвий с учетом установленной системы напряжений, действующих в режущем клине инструмента.
Показано, что стабилизация деформирования срезаемого слоя обеспечивает постоянство контактных напряжений и температур на рабочих поверхностях инструмента в условиях нестационарного резания.
Разработана модель интегрированной системы (ИСДУ), сочетающей диагностику процессов нагружения приводов станка с ЧПУ и элементов ТС с вводом комплекса коррекций при управлении обработкой. Предложены алгоритмы и программное обеспечение оперативного ввода коррекций одновременно в режимы резания и в траектории движения формообразующего режущего инструмента (ФРИ). Установлено, что разработанная методология управления, реализующая сочетание системы коррекций в наибольшей мере компенсирует погрешности, возникающие в ТС при нестационарном резании, и обеспечивает наиболее полное использование ресурса инструмента по критерию циклической прочности при максимальной производительности обработки жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ.
Все результаты исследований, представленные в диссертации, получены лично соискателем или при непосредственном его участии.
Практическая ценность работы заключается в разработке теоретического, методического и программного комплексов, сформированных для повышения эффективности лезвийной обработки. Практическую значимость имеет также использование установок, устройств и инструментов, обеспечивающих повышение эффективности обработки на станках с ЧПУ, для реализации которых:
разработаны методы и устройства для определения параметров повреждений инструмента, позволяющие прогнозировать накопление и интенсивность разрушений лезвий режущего инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ (АС. 1173179, АС. 1089539);
создана система диагностики деформирования срезаемого слоя на основе оперативного определения кинематической усадки, позволяющая при изменениях сечения срезаемого слоя, скорости и глубины резания, подачи и диаметра обработки, а также при накоплении повреждений режущих лезвий обеспечивать стабилизацию контактных напряжений и температур на рабочих поверхностях лезвий инст-
румента в условиях нестационарного резания при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ {Пат. 2009804, Пат. 2254210, Пат. 2311990);
созданы конструкции сборного режущего инструмента, обеспечивающие повышение его работоспособности за счет рационального силового и температурного нагружения сменных режущих пластин (СРП), а также комплекс модулей для определения параметров процесса резания, состояния и диагностики отклонений расположения элементов ТС при их нагружении в процессе нестационарного резания (А.С.901844, А.С.1157601, Пат. 2009804, Пат. 2076017, Пат. 2235622 Пат. 2238825, Пат. 2240207, Пат. 2245226, Пат.2245228, Пат.2309818, Пат.2309819);
предложен программно-аппаратный комплекс диагностики и управления обработкой, программные продукты для диагностики процесса резания и управления следящим и шаговым приводами исполнительных рабочих органов (ИРО) станков, реализующие при использовании систем числового программного управления класса PCNC (Personal Computer Numerical Control) интерполяцию и оперативный ввод коррекций в траектории движения формообразующего режущего инструмента (ФРИ) при изменениях составляющих силы резания в процессе точения СПВ фасонных деталей из жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ {Свид.ОРП. 2003611797,2003611798,2007613348,2008610386,2008610387,2008610388).
На защиту выносятся новые научные результаты:
решение научной проблемы максимального повышения производительности обработки жаропрочных сталей и сплавов при точении на станках с ЧПУ;
методология оценки накопления повреждений и разрушений твердосплавного режущего инструмента в условиях нестационарного резания, а также управления процессами его нагружения как основы наиболее полного использования его прочности;
закономерности распределения напряжений, деформаций и температур в режущем инструменте во взаимосвязи с нагружением его лезвий при нестационарном резании жаропрочных сталей и сплавов;
концепция взаимосвязи деформирования срезаемого слоя с контактными нагрузками, а также кинематическая модель перехода от формирования сливной к образованию суставчатой стружки при достижении конечных пластических деформаций удлинения в направлении текстуры стружки в процессе точения жаропрочных сталей и сплавов;
методики, способы и устройства для диагностики и управления процессами деформирования срезаемого слоя, управления нагружением следящих приводов и управления нагружением инструмента с вводом оперативных коррекций в режимы резания и одновременно в траектории движения ИРО станков с ЧПУ.
Реализация результатов работы. Диссертационная работа выполнялась в рамках комплексных программ: «АВИАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ», раздел 05.01 - «Методы механической обработки», а также «Общесоюзной целевой комплексной научно-технической программы О.Ц.011», раздел 09.01 АН СССР. В 2000 г. работа была поддержана грантом Минобразования РФ, а с 2001 г. разделы работы выполнялись при поддержке грантов Губернатора Тюменской области в соответствии с Региональной целевой программой «РАЗВИТИЕ ПРЕДПРИЯТИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ И МЕТАЛЛООБРАБОТКИ». В 2003 году выполненные разработки были представлены в г. Москва на Всероссийском выставочном центре
(ВВЦ) и отмечены дипломом IX-й Международной выставки научно-технических проектов «ЭКСПО - Наука 2003», а также медалью «ESI - Moskow 2003». Результаты исследований и разработки диссертации в соответствии с Региональной целевой программой внедрены на предприятиях Тюменской области, а именно: ОАО «ТЮМЕНСКИЕ АВИАДВИГАТЕЛИ», ОАО «ТЮМЕНСКИЕ МОТОРОСТРОИТЕЛИ», ОАО «ГРОМ», ОАО «Газтурбосервис», ОАО «Сибнефтемаш», ОАО «Сиб-техмаш», ОАО «Нефтепроммаш», ОАО «СТАНКОСЕРВИС», ООО «Сибинстру-ментсервис» и др. При изготовлении фасонных деталей авиадвигателей, турбин и деталей нефтегазового оборудования реализовано переоснащение токарных станков модернизированными системами ЧПУ класса PCNC и диагностическими модулями. Диагностика ТС и оперативный ввод коррекций по траекториям движения ФРИ и режимам резания реализованы с использованием специализированного программно-аппаратного комплекса. Реализовано точение СПВ фасонных деталей из жаропрочных сталей и сплавов, разработаны конструкции сборного режущего инструмента и системы оперативного ввода коррекций при управлении процессами нестационарного резания, что обеспечило наибольшую для конкретных условий производства эффективность обработки на станках с ЧПУ. Экономический эффект, подтвержденный актами внедрения результатов диссертационной работы в производство, составляет свыше 2.146.387 рублей.
Результаты исследований используются в учебном процессе ГОУ ВПО «ТюмГНГУ» в виде 5-й учебных пособий, лекционных материалов, а также в курсовом и дипломном проектировании на выпускающих кафедрах машиностроительного профиля.
Под руководством автора и с использованием основных положений его работы подготовлены и защищены кандидатские диссертации.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и одобрены на 56 научно-технических конференциях (НТК) различных уровней. Результаты НИР доложены на 29 Международных, Межгосударственных, Всесоюзных и Всероссийских конференциях в городах: Москва, Санкт-Петербург, Киев, Горький, Днепропетровск, Куйбышев, Казань, Новгород, Новосибирск, Пенза, Томск, Тюмень, Курган, Самара, Сыктывкар, Ульяновск, Челябинск. А именно: на II Всесоюзном семинаре «Геометрические методы исследования деформаций и напряжений» (Челябинск, 1976); III Всесоюзном семинаре «Оптико-геометрические методы исследования деформаций и напряжений» (Днепропетровск, 1978); Всесоюзной НТК «Повышение долговечности и надежности машин и приборов» (Куйбышев, 1981); IV Всесоюзном семинаре «Оптико-геометрические методы исследования деформаций и напряжений и их стандартизация» (Горький, 1982); Всесоюзной НТК «Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений» (Киев, 1983); Всероссийской НТК «Комплексное использование природных ресурсов» (Томск, 1984); Всесоюзной НТК «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 1985); Всесоюзной НТК «Применение лазерных технологий для повышения качества изделий» (Тюмень, 1985); Всесоюзной НТК «Оптико-геометрические методы исследования деформаций и напряжений» (Челябинск, 1986); VI Всесоюзной НТК «Повышение роли стандартизации и метрологии в обеспечении интенсификации общественного производства» (Казань, 1987); III Всесоюзной НТК «Нелинейная теория упругости» (Сыктывкар, 1989), II Всесо-
юзной НТК «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 1989); Всесоюзной НТК «Опыт и проблемы перестройки взаимодействия вуз-предприятие» (Киев, 1991); Межгосударственной НТК «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 1993); Международной НТК «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 1996); Международной НТК «Технология - 96» (Новгород, 1996); Всероссийском научном симпозиуме «Синергетика. Самоорганизующиеся технологии» (Москва, 1996); Всероссийской НТК «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 2003); VI Всероссийской НТК «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2003); Международной НТК «Актуальные вопросы промышленности и прикладных наук» (Ульяновск, 2004); IX Международной НТК «Современные тенденции развития машиностроения и материалов» (Пенза, 2004); II Международной НТК «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2004); IV Всероссийской НТК «Инновации в машиностроении» (Пенза, 2004); VI Международной НТК «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения» (Санкт-Петербург, 2005); Международном симпозиуме «Образование через науку» (Москва, 2005); III Всероссийской НТК «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности» (Новосибирск, 2005); Международной НТК «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 2005); III Международной НТК «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (Тюмень, 2005); Международной НТК «Повышение качества продукции и эффективности производства» (Курган, 2006); 2-го Международного форума «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2006); IY Международной НТК «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (Тюмень, 2008).
Полное содержание работы в 2010 г. доложено на объединенном научном семинаре кафедр «Технология машиностроения», «Станки и инструменты», «Материаловедения и ТКМ» Тюменского государственного нефтегазового университета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 109 работ. Результаты НИР отражены в монографии; в прошедших государственную регистрацию 6 отчетах по НИР и руководящих технических материалах (РТМ); в 5 учебных пособиях; в 37 авторских свидетельствах (А С), патентах на изобретения (Пат.) и свидетельствах (Сеид. ОРП.) об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 313 наименований и приложений. Работа содержат 295 страниц, 215 рисунков, 23 таблицы, включая приложения.
