Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Среди всех операций механической обработки лидирующие позиции, особенно в автоматизированных производствах, занимают токарные и фрезерные операции. При этом около 60% всех фрезерных работ составляют операции торцевого фрезерования. Современное машиностроение характеризуется производством ответственных деталей машин, работающих в жестких эксплуатационных условиях, что обуславливает повышение требований к показателям качества поверхностного слоя деталей, закладываемых на этапе конструкторского проектирования.
Существующее математическое обеспечение по расчету параметров шероховатости и методики назначения режимов резания с точки зрения обеспечения заданной стойкости инструмента и качества изготавливаемой продукции не являются в полной мере эффективными и при построении алгоритмов автоматизированного расчета параметров оптимизации приводят к значительным ошибкам (± 50% и выше), ввиду использования в них усредненных поправочных коэффициентов на физико-механические свойства инструмента и заготовки.
Основной задачей технолога является обеспечение требуемых показателей качества поверхностного слоя деталей машин и заданной стойкости инструмента на этапе проектирования технологического процесса токарной и фрезерной обработки. Оптимизация режимов обработки во многом, определяется возможностью оперативной оценки физико-механических свойств случайных сочетаний контактных пар «инструмент - заготовка» ввиду наличия разброса свойств инструмента и заготовки в партиях поставки.
В современном машиностроении задачи обеспечения заданной стойкости режущего инструмента и качества производства деталей являются взаимосвязанными и требуют совокупного решения для повышения эффективности всего автоматизированного машинного производства.
Цель работы. Разработка эффективных способов обеспечения заданной стойкости режущего инструмента и повышения качества обработки заготовок из конструкционных углеродистых и низколегированных сталей на станках с ЧПУ токарной и фрезерной групп. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
1. Исследование физических закономерностей формирования микрогеометрии
поверхностного слоя металла при лезвийной обработке и выявление диагности
ческого параметра адекватно отражающего механические и теплофизические свой
ства контактной пары «инструмент - заготовка»;
-
Разработка адекватного математического обеспечения для автоматизированного расчета параметра шероховатости Ra на получистовых и чистовых операциях точения и торцевого фрезерования на базе диагностического параметра в полной мере отражающего механические и теплофизические свойства контактной пары «инструмент - заготовка»;
-
Разработка методики контроля и оценки предельного состояния сборного многолезвийного твердосплавного инструмента на базе диагностического параметра
отражающего механические и теплофизические свойства контактной пары «инструмент - заготовка»;
4. Разработка концепции функционирования подсистемы САПР ТП на базе модуля расчета параметра шероховатости обрабатываемой заготовки и модуля определения предельного состояния сборного твердосплавного режущего инструмента на примере торцевого фрезерования.
Методы и средства исследования. Теоретические исследования базируются на основе ключевых положений теории резания металлов, материалловедения, диагностики и надежности систем, а также методов планирования экспериментов с применением регрессионного анализа. Экспериментальные исследования выполнены в лабораторных условиях с использованием современных измерительно-вычислительных средств. Обработка результатов производилась на базе аппарата математической статистики с использованием специализированных прикладных программ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Приведены физические закономерности формирования микрогеометрии поверхностного слоя детали при лезвийной обработке сталей с позиций температурной прочности металла и дислокационно-энергетического представления о разрушении металлов при резании;
-
Установлена и экспериментально доказана связь сигнала термоЭДС контактной пары «инструмент - заготовка» с показателем шероховатости Ra поверхностного слоя изготавливаемой детали. В результате предложено использовать информативную способность сигнала естественной термопары (термоЭДС) Е «инструмент - заготовка» из зоны резания в математических моделях по расчету параметра шероховатости Ra для оперативной оценки механических и теплофизических свойств контактной пары;
-
На базе методики регрессионного анализа разработаны и предложены математические модели расчета параметра шероховатости Ra на основе сигнала термоЭДС Е естественной термопары «инструмент - заготовка», отражающего механические и теплофизические свойства всего диапазона сочетаний инструментального и обрабатываемого материалов;
-
Разработана методика оценки работоспособного состояния твердосплавного инструмента на примере торцевого фрезерования результатом которой являются предложенные способы программного и активного контроля предельного состояния сборного многолезвийного твердосплавного инструмента.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
Приведены рекомендации по применению математических моделей расчета параметра шероховатости Ra для решения задач управления качеством поверхностного слоя деталей на этапе проектирования технологических процессов токарной и фрезерной обработки;
-
Разработан пакет прикладных программ, который может быть использован на этапе проектирования технологического процесса для автоматизации расчета параметров шероховатости Ra при выполнении получистовых и чистовых операций точения и торцевого фрезерования;
-
Приведены рекомендации по применению способов программного и активного контроля предельного состояния сборного многолезвийного твердосплавного инструмента (торцевой фрезы);
-
Разработаны алгоритмы функционирования модулей расчета параметра шероховатости Ra при токарной и фрезерной обработке, а также модулей активного и программного контроля предельного состояния сборного многолезвийного твердосплавного инструмента, которые могут служить основой для аппаратной и программной реализации работы модулей станочной САПР ТП при лезвийной и многолезвийной обработке заготовок на станках, оборудованных новым поколением систем ЧПУ класса PC-NC.
Апробация результатов исследования: Основные результаты диссертационной работы были представлены в научных конференциях: Международная научно-практическая конференция «Современные инновации в науке и технике» (г. Курск, 2011); IV Международная научно-практическая конференция «Современные направления научных исследований» (г. Екатеринбург, 2011); Международная научно-практическая конференция «Перспективное развитие науки, техники и технологий» (г. Курск, 2011); II Всероссийская научно-техническая конференция «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий» (г. Уфа, 2012); Международная молодежная научная конференция «Поколение будущего: Взгляд молодых ученых - 2012» (г. Курск, 2012); 48 - 50 внутривузовские научные конференции на кафедре «Автоматизация производственных процессов» Волгоградского государственного технического университета (г. Волгоград, 2011 -2013); XI Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» (г. Новосибирск, 2013); II Международная научно-практическая конференция «Инновационные информационные технологии» (г. Прага, г. Москва, 2013).
Научные и практические результаты работы реализованы при выполнении госбюджетной научно-исследовательской работы №35-53/155-2-09 «Разработка математического и программного обеспечения работы модуля расчета режимов резания в САПР ТП механической обработки сталей твердосплавными инструментами с защитными покрытиями» и №35-53/ 445 - 2 - 12 «Разработка математического и программного обеспечения работы модуля расчета параметров шероховатости (качества поверхности) в САПР ТП механической обработки».
Публикации.
По материалам диссертационного исследования опубликовано 20 работ, в том числе 11 работ в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК. Получен 1 патент на изобретение. Поданы 3 заявки на изобретение. Получено 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы (165 наименований), приложений. Работа изложена на 197 страницах содержит 54 рисунка, 31 таблицу.
