Введение к работе
Актуальность проблемы. Отсутствие определения термина «обрабатываемость» в нормативных документах привело к большому количеству, зачастую противоречивых, его различных формулировок и критериев оценки. В большинстве случаев под обрабатываемостью понимают способность (свойство) материала подвергаться обработке. Однако, целью любого процесса резания является не просто снять металл, а произвести удаление заданного припуска при обеспечении технологических требований по качеству, точности обработки и т. д., выполнение которых напрямую связано с той или иной степенью обрабатываемости материала. Поэтому разными исследователями к формулировке обрабатываемости добавлялся критерий ее определения, например, обрабатываемость по шероховатости поверхности, обрабатываемость по стойкости инструмента и т. д. Данная ситуация привела к еще большей понятийной неопределенности, а учитывая, что для современного машиностроения характерно постоянное увеличение количества требований к качеству поверхностного слоя, точности обработки и т. д., термин обрабатываемости в том виде в котором он присутствует не отражает физической сущности характеризуемого им процесса. Поэтому необходимо рассматривать обрабатываемость не просто как сугубо свойство материала при определенном технологическом ограничении, а как комплексный технологический фактор, т.е. ввести термин технологической обрабатываемости материала и разработать единый критерий ее оценки.
Обрабатываемость дает исходную информацию для оценки необходимых технологических и производственных ресурсов на обработку материала, что определяет сроки выполнения технологии, потребное количество оборудования и другие организационные и экономические показатели производства. В итоге, обрабатываемость материала, еще на стадии технической подготовки предопределяет экономическую эффективность производства и является важнейшим показателем уровня требуемых инвестиций и будущей эффективности производства.
Масштабность обрабатываемости для машиностроения в целом подтверждает тот факт, что в России до 1991 года, при ее плановой экономике, обрабатываемость была положена в основу государственной системы нормирования технологий. При Государственном комитете по труду и социальным вопросам существовало Центральное бюро нормативов по труду (ЦЕНТ), включающее НИИ Труда. Эта организация занималась сбором информации по организации технологических процессов (ее отдел по машиностроению), ее статистической обработкой и отработкой методик эффективного представления рекомендаций для проектирования технологий на новые производства.
Завышенная, так и заниженная оценка обрабатываемости, приводит к той или иной форме экономических потерь. Если реальная обрабатываемость материала оказывается выше, т.е. материал обрабатывается лучше, это приведет к недоиспользованию технологического потенциала проектной технологии, т.е. закладывается излишнее количество единиц оборудования или заниженные режимы обработки и т. д. Противоположная ситуация - ошибочная оценка обрабатываемости является завышенной, т.е. физически материал обрабатывается хуже, приведет к срыву всей проектной технологии вследствии введения дополнительных единиц оборудования, перезагрузке производства и т. д. Поэтому, задача разработки методики достоверной оценки обрабатываемости материала имеет важное хозяйственное значение.
Существующие в современных справочниках группы обрабатываемости и соответствующие им коэффициенты разработаны на базе опыта предприятий и стати-
стической его обработки. Однако коэффициенты, заданные для группы обрабатываемости, являются усредненными рекомендациями, а следовательно, и затрубленными. Этот факт усиливается еще одним важным обстоятельством, при появлении новых марок материалов их интуитивно включали в определенную группу обрабатываемости без какой-либо производственной апробации.
С другой стороны, в настоящее время в машиностроении происходят преобразования, связанные с внедрением: совершенно нового оборудования, которое характеризуется постоянной интенсификацией скоростей приводов рабочих движений станков; прогрессивного режущего инструмента и т. д., что существенно повышает требования к технологическим рекомендациям.
Таким образом, противоречие между внедрением в производство нового оборудования, режущего инструмента и т. д., с одной стороны, и недостатками существующих технологических рекомендаций, базирующихся на группах и коэффициентах обрабатываемости материалов, неправильное определение которых приводит к существенным экономическим потерям, с другой стороны, наряду с постоянным увеличение количества требований к качеству поверхностного слоя, точности обработки и т. д., определяет крупную научную проблему, которая имеет важное хозяйственное значение для машиностроения. Решение этой проблемы возможно на основе разработки методики расчетного определения технологической обрабатываемости материалов.
Актуальность разработки методики расчетного определения технологической обрабатываемости усиливается еще одним обстоятельством. Современное материаловедение и технологии создания конструкционных материалов достигли такого уровня, что нередко создается материал под задачу, т.е. технологи имеют материал, для которого известны только его свойства. Здесь единственный путь - расчетное определение обрабатываемости.
Данная работа посвящена разработке методики расчетного определения обрабатываемости в процессах абразивной обработки, вследствие их большого удельного веса в общей номенклатуре видов механической обработки (в современном машиностроении применяются более 70 видов абразивной обработки, а парк станков занимает 21,6 % от общего объема), и предъявляемым к ним более жестким требованиям по качеству поверхностного слоя, точности обработки и т. д.
Данная работа выполнялась в рамках:
задания Рособразования на проведение фундаментальных научных исследований: № 01201000749, тема: «Имитационное стохастическое моделирование процессов высокоскоростной механической обработки на базе технологий параллельных вычислений», 2010-2011 гг; № 7.4079.2011, тема: «Теория механического и физико-химического взаимодействия абразивного и обрабатываемого материала в процессах абразивной обработки», 2012- по наст, время.
грантов Правительства и Губернатора Челябинской области;
программы воспроизводства кадрового потенциала ЮУрГУ (НИУ).
Цель работы. Разработка методики расчетного определения обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки и создание на ее базе научно-обоснованных инженерных рекомендаций.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1.Формирование понятия и критерия оценки обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки.
2.Систематика видов и наладок процессов абразивной обработки и разработка обобщенных параметров процесса.
3.Разработка обобщенной пространственной стохастической теплофизической модели процессов абразивной обработки, учитывающей особенности свободного и несвободного резания, а также обратной нелинейной связи процесса по темпера-турно-скоростной прочностной характеристике обрабатываемого материала.
4.Разработка стохастической силовой модели процессов абразивной обработки, учитывающей переменность температуры в зоне контакта и интенсивность сопротивления материала деформации.
5.Разработка теории и комплекса методик расчетного определения обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки.
6. Практическое применение разработанной теории обрабатываемости.
Научная новизна
-
Установлены физические взаимосвязи между обрабатываемостью материала, видом абразивной обработки, технологическими ограничениями и параметрами технологической системы. Введено понятие и разработана формальная теория технологической обрабатываемости на основе предложенного математического представления технологической обрабатываемости.
-
Разработана научная база повышения эффективности абразивной обработки и сокращения сроков технологической подготовки производства на основе расчетного определения обрабатываемости материала в широком диапазоне скоростей, температур и сил резания с учетом ограничений по качеству поверхностного слоя, создан математический аппарат моделирования и прогнозирования технологической обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки.
-
Разработана теплофизическая и силовая модель, постановка и реализация которых впервые базируется на независимом учете всех пространственных перемещений абразивного инструмента и заготовки. Это впервые позволило вскрыть физическую природу изменения технологической обрабатываемости материала в разных видах и наладках абразивной обработки, установить и обосновать новые закономерности формирования температурного поля и силы резания, составляющих основу управления технологическими ограничениями по точности и ограничениями, имеющими тепловую природу в математическом аппарате прогнозирования технологической обрабатываемости материалов.
-
Разработана методология многофакторной относительной и абсолютной оценки технологической обрабатываемости материалов, состоящая из комплекса методик, позволяющих рассчитать значения эффективных технологических параметров обработки по известным или определяемым теплофизическим и механическим характеристикам материалов.
Практическая ценность
-
На основе методологической базы последней редакции общемашиностроительных нормативов, где режимы резания назначаются по двум ограничениям - точности и бесприжоговости обработки, проведена относительная оценка технологической обрабатываемости (относительно стали 45), в итоге которой установлено наличие родственных по обрабатываемости видов (наладок) абразивной обработки, в результате которых для 48 видов (наладок), разработано 14 шкал технологической обрабатываемости.
-
Разработан алгоритм САЕ-модуля, в автоматизированном цикле расчетным путем определяющий значение абсолютной технологической обрабатываемости.
-
На основе имитационной стохастической модели температурного поля зоны шлифования разработан программный модуль «Пространственная многокритериальная теплофизическая модель процессов абразивной обработки», реализованные средствами технологии параллельного программирования для высокопроизводительных кластерных систем.
-
Стохастическая модель силы резания программно реализована в виде имитационного расчетного модуля «Force sigma», который основе технологии параллельного программирования адаптирован для работы на высокопроизводительных кластерных системах.
Внедрение результатов работы
-
Результаты работы по группам обрабатываемости, оформленные в виде справочника «Абразивная обработка: наладка, режимы резания» и руководящего технического материала (РТМ) «Дифференцированные шкалы обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки», прошли успешную апробацию и приняты к эксплуатации на ряде машиностроительных, автомобилестроительных и аэрокосмических предприятиях Российской Федерации. РТМ также включен в качестве дополнения к существующему справочнику «Режимы резания на работы, выполняемые на шлифовальных и доводочных станках с ручным управлением и полуавтоматах».
-
Разработанный алгоритм, в автоматизированном цикле расчетным путем определяющий значение абсолютной технологической обрабатываемости, принят к внедрению группой компаний «ADEM» для реализации САЕ-модуля технологического назначения в составе системы сквозного проектирования ADEM CAD/CAM/CAPP и РТМ в виде баз данных по группам и коэффициентам обрабатываемости материалов, применяемых при нормировании операций абразивной обработки в модуле ADEM NTR.
Достоверность результатов работы. Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций подтверждена сравнением расчётных данных, полученных с использованием разработанных математических моделей, с результатами экспериментальных исследований и данными, полученными в условиях производства, с применением оборудования, прошедшего метрологическую аттестацию.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научно-технических конференциях в ЮУрГУ (2004-2012 гг.), международных, всероссийских конференциях и семинарах (г. Волжск - 2004 г., г. Белгород - 2004 г., г. Аша - 2005 г., г. Тольятти - 2008, 2009 гг., г. Тамбов - 2008, 2009, Москва - 2008-2011 гг., г. Екатеринбург - 2009 г., г. Уфа - 2010 г., г. Новосибирск - 2009 г., г. Санкт-Петербург - 2010 г., г. Воронеж - 2010 г., г. Орел - 2010-2012 г., г. Магнитогорск - 2010-2012 г., WZL RWTH, Aahen - 2011 г.). Результаты работы прошли промышленную апробацию.
Публикации по теме. По теме работы опубликовано 96 печатных работ, в том числе из них 17 по списку ВАК, 3 монографии, патент на изобретение и полезные модели, свидетельства о регистрации программ для ЭВМ, отчеты по выполнению НИР, научные статьи, доклады на всероссийских и международных конференциях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, основных результатов и выводов, списка литературы (335 наименования) и четырех приложений. Работа изложена на 386 страницах машинописного текста, включает 87 рисунков и 78 таблиц.
