Введение к работе
Актуальность работы. Современные тенденции развития обрабатывающей
промышленности ясно показывают на примерах промышленно развитых стран, что
ориентация на создание автоматизированных технологических комплексов,
способных функционировать при минимальном вмешательстве персонала, является
неизбежной перспективой конкурентоспособного производства. Подобные
комплексы невозможно представить без систем мониторинга и диагностики,
собирающих информацию о состоянии важнейших узлов и технологических
процессов, формирующих корректирующие и управляющие воздействия.
Существующая вероятность поломки и неизбежный износ режущего инструмента
вызывают постоянную озабоченность специалистов при создании и
совершенствовании автоматизированных комплексов.
Проблема диагностики режущего инструмента усугубляется еще и тем, что современное производство предъявляет постоянно растущие требования к качеству изделий. Безотказность и долговечность ответственных изделий, сохранение их эксплуатационных свойств является актуальной задачей в машиностроении и металлообработке уже многие годы. Данные показатели зависят от множества факторов, которые обеспечиваются на разных этапах жизненного цикла изделия, включая технологические операции, обрабатывающий инструмент и состояние его режущих кромок. Именно состояние режущих кромок используемого инструмента определяет характеристики поверхностного слоя изделия, его напряженно-деформированное состояние, которое оказывает прямое воздействие на эксплуатационные свойства ответственных изделий. Обеспечение в процессе функционирования автоматизированного комплекса мониторинга состояния режущего инструмента с целью стабилизации остаточных напряжений и деформаций в деталях, с повышенными требованиями к качеству поверхностного слоя, является актуальной задачей, решение которой даст возможность повысить долговечность и безотказность ответственных изделий.
В разные годы при создании систем диагностики режущего инструмента применялись разные критерии его отказа, которые закладывались в системы мониторинга. Это были экономические критерии, опирающиеся на количество возможных переточек, критерии, связанные с ростом вероятности скола режущей пластины, критерии, связанные с необходимостью безостановочной обработки изделия в течение технологического перехода и т. п. В рамках настоящей работы в качестве критерия отказа режущего инструмента формируется такой, который не допустит таких изменений режущей кромки, которые вызовут недопустимый рост остаточных деформаций и напряжений в поверхностном слое изделия. Поиск соответствующего диагностического признака, обеспечивающего возможность подобного мониторинга, является важной задачей, решение которой позволит выпускать в условиях автоматизированного производства ответственные изделия с требуемыми характеристиками поверхностного слоя.
Цель работы состоит в совершенствовании процесса токарной обработки ответственных деталей за счет автоматизации контроля состояния режущего инструмента методами виброакустики для ограничения интенсивности деформаций поверхностного слоя деталей
Задачи исследования:
– исследовать вопросы механики процесса резания для формирования основных подходов для математического моделирования процесса точения резцами с разным состоянием режущей кромки;
– создать математическую конечно-элементную модель процесса резания, позволяющую выявить влияние геометрии износа режущей кромки резцов и режимов резания на интенсивность деформаций поверхностного слоя изделия;
– на основании существующих методов экспериментальных исследований влияния состояния режущей кромки резцов на напряженно-деформированные состояния поверхностного слоя детали разработать практическую методику проверки адекватности результатов математического моделирования;
– подготовить экспериментальную базу и провести проверку влияния износа режущего инструмента на напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя, оценить адекватность расчетной модели;
– исследовать влияние характеристик поверхностного слоя, полученных при точении инструментом в разных состояниях, на эксплуатационные показатели детали;
– исследовать информативность различных диагностических параметров,
применимых для контроля износа режущего инструмента в условиях
автоматизированного производства, разработать алгоритм обработки
диагностических сигналов для косвенной оценки состояния режущей кромки резцов с точки зрения влияния на интенсивность деформаций поверхностного слоя изделия;
– создать на основе виброакустических сигналов комплексную расчетно-экспериментальную методику оценки износа режущего инструмента, позволяющую стабилизировать интенсивность деформаций поверхностного слоя деталей.
Объектом исследований является токарный режущий инструмент, применяемый при точении ответственных деталей с высокими требованиями к качеству поверхностного слоя изделия.
Предметом исследования являются закономерности влияния износа резцов на интенсивность деформаций и другие характеристики поверхностного слоя деталей и связи этих характеристик с параметрами косвенных диагностических сигналов, возможности формирования по этим параметрам критериев отказа режущего инструмента в системах мониторинга.
Методы исследования. Математическая модель процесса резания создана на основе программы Deform 3D. Исследование напряжённо-деформированного состояния поверхностей деталей проведено методом делительных сеток. Микроструктура поверхностного слоя деталей была выявлена на микрошлифах с
помощью травления и дальнейшего исследования на микроскопе.
Экспериментальные исследования проводились с применением теории
планирования экспериментов. Математическая обработка экспериментальных
данных проведена с использованием программного комплекса MathCad.
Достоверность результатов обеспечивалась многократным повторением
экспериментов, результаты которых были сопоставимы с графическими зависимостями, полученными с помощью разработанной математической модели.
Научная новизна работы заключается в:
– установлении связей между геометрическими характеристиками износа токарного режущего инструмента и изменениями интенсивности деформаций по глубине поверхностного слоя обработанной детали;
– установлении связей между изменением интенсивности деформаций поверхностного слоя детали, определяемых ухудшением геометрии износа режущей кромки, и изменениями спектральных характеристик виброакустического сигнала, сопровождающего резание;
– установлении связей между изменением спектральных характеристик виброакустического сигнала, сопровождающего фрикционный контакт резец-деталь при точении с переменным износом инструмента и величиной натяга в контакте;
– в разработке критерия отказа инструмента с позиций допустимых деформаций поверхностного слоя, индифферентного к изменению режимов резания, опирающегося на относительное изменение спектральных характеристик виброакустического сигнала на периоде стойкости режущей кромки.
Теоретическая значимость. На основе проведенных исследований показана взаимосвязь между износом режущей кромки токарного инструмента, интенсивностью деформаций по глубине поверхностного слоя и параметрами виброакустического сигнала, сопровождающего резание. Определены основные закономерности изменения спектрального состава виброакустического сигнала по мере увеличения интенсивности деформаций поверхностного слоя, при наличии адгезионного трения по задней грани и при возникновении интенсивных автоколебаний.
Практическая значимость работы заключается в:
- разработке расчетно-экспериментальной методики, позволяющей расчетным
путем оценивать влияние режимов резания и геометрии износа режущего
инструмента на интенсивность деформаций поверхностного слоя деталей по его
глубине, что дает возможность заранее выбирать режимы обработки деталей,
обеспечивающие требования к ограничению интенсивности деформаций
поверхностного слоя;
- методике определения критерия отказа режущего инструмента по
косвенному признаку, использующему параметры виброакустического сигнала,
сопровождающего резание, который может применяться в автоматизированном
оборудовании для оперативного контроля состояния режущего инструмента;
- предложенном алгоритме обработки виброакустических сигналов,
генерируемых в зоне резания и в структуре информационно-измерительных систем,
которые должны реализовываться на автоматизированном оборудовании для
мониторинга состояния режущего инструмента с целью стабилизации
характеристик качества поверхностного слоя ответственных деталей.
Степень достоверности. Достоверность результатов, полученных в ходе
исследования, обеспечивается применением общих законов теории резания,
сопротивления материалов, материаловедения, теории колебаний и
вибродиагностики. Результаты, полученные расчетными методами, проверялись
экспериментальными исследованиями. Экспериментальные исследования
проводились с помощью современного оборудования и аттестованных приборов. Математическая обработка экспериментальных данных проведена с использованием современных программных комплексов, таких как Компас- 3D, MathWorks и др.
Основные положения, выносимые на защиту:
- конечно-элементная модель, описывающая влияние изменения геометрии
режущей кромки инструмента и режимов резания на развитие интенсивности
деформаций по глубине поверхностного слоя на примере токарной обработки
деталей с высокими требованиями к качеству поверхностного слоя, результаты
расчетов и их анализ;
- экспериментальная методика оценки влияния разрушений режущей кромки
резцов на интенсивность деформаций по глубине поверхностного слоя детали и
результаты ее использования для проверки результатов расчетов;
результаты исследований влияния токарной обработки инструментом с разным состоянием режущей кромки на механические характеристики поверхностного слоя детали и на показатели износостойкости изделия;
методика построения базы данных виброакустических критериев отказа режущего инструмента для разных режимов резания с точки зрения влияния на интенсивность деформаций поверхностного слоя изделия;
- алгоритм обработки виброакустического сигнала сопровождающего точение
в системе мониторинга и формирование критерия отказа режущего инструмента для
обеспечения технических требований к поверхностному слою изделия.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. По теме и содержанию материалов диссертационная работа соответствует научной специальности 05.02.07 – «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки» в части п.3, п.4 раздела «Области исследований» её паспорта.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований
докладывались на международных научно-технических и научно-
исследовательских конференциях: всероссийская конференция «Инженерные системы» - 2015» (Москва, 2015 г.); XIX научно-техническая конференция преподавателей, сотрудников и аспирантов факультета «Современные инженерные
технологии»» (Москва, 2016 г.); «Современные тенденции в технологиях
металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и
комплектующих изделий» (Уфа, 2016); «Современные направления и перспективы
развития технологий обработки и оборудования в машиностроении» (Севастополь,
2017); доклад на кафедре «Технологий машиностроения, металлорежущих станков
и инструментов» Российского университета дружбы народов; доклад на кафедре
«Стандартизация, сертификация и управление качеством производства
нефтегазового оборудования» РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина;
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из которых 5 работ входят в перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК, 2 работы входят в перечень рецензируемых научных изданий Scopus, 1 статья подана в печать, получен один патент на изобретение, в рассмотрении находится одна заявка на изобретение (в соавторстве).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений.