Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса 13
1.1 Анализ условий эксплуатации и способы повышения прочности сменных многогранных пластин 13
1.2 Финишная объемная обработка сменных многогранных пластин 20
1.3 Методы оптимизации параметров и повышения качества технологических систем 32
1.4 Цель и задачи исследования 39
2 Технология объемной вибрационной обработки сменных многогранных пластин и моделирование процессов их взаимодействия с гранулами обрабатывающей среды 42
2.1 Технология объемной вибрационной обработки СМП 42
2.2 Компьютерное моделирование процесса вибрационной обработки сменных многогранных пластин 47
2.3 Разработка математической модели процесса вибрационной обработки СМП 55
2.4 Модель единичного взаимодействия абразивного зерна с обрабатываемой поверхностью 64
Выводы 72
3 Моделирование процесса работы инструмента, прошедшего объемную обработку 73
3.1 Влияние микрогеометрии рабочих поверхностей режущих пластин на характеристики процесса резания 75
3.2 Влияние радиуса округления режущей кромки инструмента на характеристики процесса резания 79
3.3 Модель работы инструмента с переменными параметрами радиуса округления режущей кромки и шероховатости поверхностей 86
3.4 Определение напряженного состояния инструмента 92
Выводы 99
4 Оптимизация параметров вибрационной обработки сменных многогранных пластин 100
4.1 Постановка задачи оптимизации 100
4.2 Разработка автоматизированной сервисной информационно- вычислительной системы 109
4.3 Примеры определения оптимальных параметров вибрационной обработки для конкретных задач 113
Выводы 126
5 Экспериментальные исследования вибрационной обработки сменных многогранных пластин 127
5.1 Экспериментальные исследования влияния технологических факторов вибрационной обработки на качественные характеристики режущего инструмента 127
5.2 Экспериментальные исследования влияния объемной вибрационной обработки режущего инструмента на характеристики процесса его работы 135
5.3 Определение рациональных областей использования технологии виброобработки СМП 140
Выводы 148
Выводы по работе 149
Список использованных источников 151
- Методы оптимизации параметров и повышения качества технологических систем
- Разработка математической модели процесса вибрационной обработки СМП
- Влияние радиуса округления режущей кромки инструмента на характеристики процесса резания
- Разработка автоматизированной сервисной информационно- вычислительной системы
Введение к работе
Проблема повышения эффективности машиностроительного производства, требует решения задач повышения производительности механической обработки, снижения затрат на режущий инструмент и простоев оборудования, связанных с отказами инструмента и его заменой.
В современном машиностроительном производстве в качестве режущей части инструмента широко применяются сменные многогранные пластины (СМП), на долю которых приходится примерно 70% всей срезаемой стружки.
Одной из основных причин выхода таких пластин из строя является выкрашивание и сколы режущей кромки, что вызвано выходом напряжений в режущем клине за пределы допустимых значений.
Существуют различные способы увеличения прочности режущего клина твердосплавного инструмента, одним из которых является повышение собственных прочностных характеристик, в частности, путем округления режущей кромки и снижения шероховатости рабочих поверхностей СМП.
Технологически округление режущей кромки инструмента и снижение шероховатости его опорных поверхностей наиболее эффективно обеспечивается объемной обработкой. Из применяемых в промышленности методов объемной финишной обработки режущего инструмента в настоящее время известно использование вибрационной и центробежно-ротационной обработки. ЦРО обеспечивает высокую производительность, но не исключает возможности появления сколов и выкрашиваний режущих кромок, вызванных взаимным соударением СМП в рабочей камере. Технология виброобработки менее производительна, но может быть реализована без появления каких-либо дефектов. Поэтому создание новых методов и средств обеспечивающих повышение эффективности виброобработки сменного многогранного неперетачиваемого инструмента является актуальной задачей.
В связи с изложенным целью настоящей работы является: повышение эффективности финишной обработки сменных многогранных пластин путем совершенствования технологии объемной вибрационной обработки и оптимизации режимов резания.
Для достижения поставленной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
Разработать технологию финишной вибрационной обработки СМП, обеспечивающую повышение производительности и качества обработки.
Разработать математическую модель, описывающую влияние технологических режимов виброобработки на производительность и качество обработки СМП.
Разработать математическую модель, позволяющую оценить влияние радиуса округления режущей кромки инструмента и шероховатости его поверхностей на силовые характеристики процесса резания и напряженное состояние режущего клина.
Разработать методику определения оптимальных режимов ВО, обеспечивающих получение необходимых характеристик СМП для конкретных условий производства.
Для автоматизации процедуры оптимизации режимов ВО разработать сервисную информационно-вычислительную систему.
Экспериментально проверить разработанные методы и определить области их рационального использования.
Научную новизну работы составляют:
1. Технология вибрационной обработки СМП, исключающая появление дефектов режущей кромки и обеспечивающая повышение производительности финишной обработки за счет использования оригинального приспособления.
Модель движения загрузки рабочей камеры вибромашины, позволившая установить зависимости параметров силового взаимодействия гранул обрабатывающей среды с СМП от технологических режимов обработки.
Критерии оптимизации процесса финишной обработки СМП для нахождения оптимального радиуса округления режущей кромки и повышения производительности процесса резания.
Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 98 наименования и приложений, содержит 147 страниц основного текста, 62 рисунка и 17 таблиц.
1 Состояние вопроса
1.1 Анализ условий эксплуатации и способы повышения прочности сменных многогранных пластин
В условиях рыночной экономики невозможно обеспечить снижение издержек и повышение конкурентоспособности производства без использования современных технологий, оборудования, инструментов. Одним из путей повышения эффективности механической обработки резанием является переход от использования напайного режущего инструмента на сборный с механическим креплением сменных многогранных пластин (СМП). Целесообразность такого перехода для большинства случаев обработки резанием подтверждается мировой практикой.
В настоящее время широкое применение получили сборные инструменты с СМП практически для всех видов механической обработки резанием. СМП широко используются на токарных резцах, зенкерах, фрезах, протяжках.
Статистика применения инструмента с СМП на машиностроительных предприятиях свидетельствует, что на долю отказов инструментов с СМП в результате разрушения пластин приходится 70-75% [1]. Анализ видов отказов СМП в производственных условиях показал, что характерными видами разрушений являются выкрашивание и сколы режущей кромки (в среднем до 45 %), особенно в условиях прерывистого и чернового резания, что является следствием выхода напряжений в режущем клине за пределы допустимых значений, т.е. недостаточной его прочностью.
Повреждения режущей кромки, такие, как сколы, продольные и поперечные трещины или пластические деформации, наступают при механических или термических перегрузках.
Сколы вызывают существенное увеличение сил резания на режущей кромке инструмента. [31] При таких повреждениях положение плоскостей скола определяется направлением силы резания. Сколы могут быть вызваны прерывистым резанием, прежде всего, при обработке вязких материалов, когда происходит наростообразование. Чаще всего сколы появляются тогда, когда заготовки имеют твердые неметаллические включения, возникающие при дезоксидации стали. К перенапряжениям такого рода очень чувствительны износостойкие сорта твердых сплавов, особенно, если инструмент из этих материалов работает при относительно малом поперечном сечении стружки (развертывание, шабрение).
Рисунок I. I - Характер разрушения четырехгранных СМП на образцах разрушенных пластин при фрезеровании; ВК8
К появлению поперечных трещин приводят кратковременные изменения силы резания, характерные для фрезерования. Быстроменяющиеся нагрузки в процессах, для которых характерна суставчатая стружка, могут также при превышении критического количества циклов нагружения привести к образованию поперечных трещин [32].
К образованию продольных трещин приводят краткосрочные изменения температуры, возникающие при прерывистом резании. Характер продольных трещин совпадает с линиями изотерм температурного поля в режущем клине. При фрезеровании режущая кромка нагревается до высокой температуры, а потом остывает на воздухе. Напряжения растяжения в поверхностных слоях могут превысить предел текучести, который для нагретого инструмента меньше, чем для холодного, что приводит к пластическим деформациям. Пластические деформации возможны в твердых сплавах с высоким содержанием связок, или когда температура режущей кромки вырастает настолько, что материал режущей части размягчается [32].
Число поломок СМП возможно уменьшить изменением условий их работы: снижением режимов резания, изменением углов установки инструмента, изменением состава СОТС и т.д. Но уменьшение режимов резания может быть ограничено при использовании СМП в автоматизированном оборудовании (в частности, в автоматических линиях), где невозможно внесение изменений в технологию обработки и в конструкцию системы СПИЗ. Кроме того, снижение режимов резания ведет к падению производительности механической обработки, что в большинстве случаев не приемлемо.
Другим способом минимизации числа поломок режущего инструмента является улучшение его собственных прочностных свойств. Прочность СМП определяется рядом геометрических и физико-механических параметров, в том числе формой профиля нормального сечения режущего клина, микрогеометрией рабочих и опорных поверхностей, физико-механическими характеристиками поверхностного слоя.
Эксплуатационные характеристики режущего инструмента, в том числе его прочность, в значительной степени определяются технологией его изготовления, а именно обеспечением необходимых геометрических и физико-механических параметров.
Существуют несколько путей повышения прочности режущего клина СМП, среди них:
Улучшение прочностных свойств материала режущей части инструмента: использование твердых сплавов с повышенными прочностными свойствами, применение специальных упрочняющих методов (например, химико-термической обработки;
Изменение формы профиля нормального сечения режущего клина [18];
Изменение микрогеометрии рабочих и опорных поверхностей режущего инструмента;
Изменение физико-механических характеристик поверхностного слоя инструмента. Имеется ввиду прежде всего снижение растягивающих остаточных напряжений, зачастую имеющих место после изготовления СМП, и возможный перевод их в область сжимающих.
Применение первого метода ограничено из-за того, что для применяемых твердых сплавов изменение их свойств (размера зерна, % содержания кобальтовой связки и др.) в сторону повышения ударопрочности часто ведет к нежелательному изменению таких свойств как тепло- и износостойкости, теплопроводности, адгезионных свойств, обрабатываемости, стоимости и т.д. [43, 88]
Эффект второго метода [45, 46] основан на том, что изменение профиля нормального сечения режущего клина ведет к изменению (перераспределению) действующих на него сил, и следовательно, к изменению и перераспределению напряжений в теле режущего клина.
Одним из вариантов оптимизации формы профиля нормального сечения режущего клина с целью повышения его прочности является внесение в конструкцию режущей части инструмента дополнительного элемента - отрицательной (-5... 15 град.) фаски по передней поверхности. При этом на участке режущего клина, расположенном ближе к режущей кромке (именно он является наиболее непрочным, т.к. режущий клин фактически является нагруженной балкой-консолью с сечением переменной площади, а данный участок имеет меньшую площадь сечения), передний угол отрицателен. Вследствие перераспределения сил, действующих на режущий клин, область растягивающих напряжений смещается в часть режущего клина с большим по площади (т.е. безопасным) сечением или вообще исчезает. Для получения отрицательной фаски по передней поверхности, как правило, вводят дополнительную шлифовальную операцию. Однако для сложнопрофильных и мелких пластин шлифование отрицательной фаски является крайне трудоемкой и дорогой операцией [47].
Следует отметить, что именно растягивающие напряжения являются наиболее опасными, т.к. для твердых сплавов максимально допустимые растягивающие напряжения в 3...4 раза меньше максимально допустимых сжимающих, кроме того, при наличии растягивающих напряжений значительно усиливается негативная роль концентраторов напряжений (рисок, царапин, остающихся после изготовления инструмента и др.).
Другим методом оптимизации формы профиля нормального сечения режущего клина [41, 18] (т.е. повышения его прочности) является внесение в конструкцию режущей части инструмента другого дополнительного элемента - радиуса р округления режущей кромки. С увеличением р силы резания возрастают, причем в большей степени увеличивается сила Рх, действующая противоположно направлению движения подачи инструмента. Это изменяет направление действующих на него сил в сторону биссектрисы угла р заострения режущего клина, что способствует симметризации нагружения режущего клина и, следовательно, изменению напряжений в теле режущего клина и тем самым увеличению его прочности.
Установлено также, что округление режущей кромки инструмента приводит к возрастанию мощности и температуры резания. Рост силовых и тепловых нагрузок после достижения оптимального по критерию прочности значения р будет являться негативным фактором, влияющим на прочность инструмента. Таким образом, влияние радиуса р округления режущей кромки на прочность и стойкость инструмента носит, как правило, экстремальный характер, причем достигаемые значения прочности и стойкости имеют значительный разброс в зависимости от обрабатываемого материала и режимов резания. Такой характер влияния р на показатели качества твердосплавного инструмента вызывает необходимость определения значения этого радиуса в каждом конкретном случае обработки.
С ростом р, вследствие дополнительного нагружения системы СПИЗ, наблюдается снижение вибраций, возникающих в процессе обработки.
Величина и глубина распространения сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое обработанной детали с ростом р также увеличивается.
Установлено также, что уменьшение параметров шероховатости рабочих и опорных поверхностей режущего инструмента (высоты микронеровностей, относительной опорной поверхности) благоприятно сказывается на его прочности. Это объясняется изменением условий трения на контактирующих поверхностях инструмент — деталь и инструмент - стружка, изменением условий теплоотвода из зоны резания через опорные поверхности СМП, изменением условий упругого контакта СМП-опорная поверхность. При затачивании режущих инструментов шлифованием продольная шероховатость кромок оказывается в 1,4...2,5 раза выше, чем на поверхностях, образующих кромку. При доводке лезвий инструментов методами, использующими несвязанный абразив, шероховатость на поверхностях лезвия и на режущей кромке оказывается одинаковой [6] .
Повышенная шероховатость режущих кромок после обычной заточки шлифованием существенно снижает их прочность. Выступы микронеровностей на кромках из-за малой механической прочности разрушаются в первые секунды резания. Впадины микронеровностей являются местом зарождения микротрещин, разрастающихся в процессе резания и приводящих к образованию сколов. Если режущий инструмент используют для формообразования поверхности путём копирования формы режущей кромки, то все дефекты кромки, включая её шероховатость, переносятся на обработанную поверхность [15, 16, 51, 23].
Стойкость инструмента увеличится, если каким-либо способом перед началом процесса резания устранить дефекты острой кромки.
По данным, [6] округление режущих кромок резцов с режущей частью из сплавов Т15К6 до радиуса р = 100мкм при точении конструкционной стали позволило увеличить их стойкость в 1,8...2,05 раза; округление режущих кромок СМП (Т5К10) торцовых фрез при обработке инструментальных сталей позволило увеличить стойкость фрез на 92%, при обработке чугуна - на 56%. Округление режущих кромок СМП (Т5К10) торцовых фрез до радиуса р = 50 мкм при обработке Стали 45 позволило увеличить разрушающую подачу на 217%. Округление режущих кромок резцов из сплава ВК8 до радиуса р = 100 мкм позволило увеличить разрушающую подачу (максимальную толщину срезаемого слоя) при обработке жаропрочного сплава на никелевой основе ЭИ929 с 0,04 до 0,34 мм, при обработке титанового сплава ВТ1 - с 0,17 до 1,25 мм при р = 50 мкм. Округление режущей кромки инструмента исключает период его приработки, наиболее критичный для прочности острой режущей кромки.
Из сказанного следует, что сменные многогранные пластины желательно подвергать дополнительной финишной обработке с целью снижения шероховатости поверхностей СМП и округления режущих кромок. Это обеспечивает более длительное сохранение геометрической формы кромки, повышенную её прочность и соответственно — повышенную стойкость инструмента.
1.2 Финишная объемная обработка сменных многогранных пластин
В настоящее время используются различные технологические методы обеспечения требуемой шероховатости поверхностей СМП и радиуса округления режущих кромок, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. Наиболее производительным способом обработки является объемная обработка.
Объемная обработка осуществляется за счет перемещения с помощью специальных систем под действием сил различной физической природы свободного инструмента в виде гранул, зерна, порошков и др. относительно закрепленных или перемещающихся вместе с ними обрабатываемых деталей при одновременном воздействии рабочей жидкости специализированного состава [4].
В настоящее время известно большое количество разработанных и внедренных в промышленности методов объемной обработки. Для обработки режущего инструмента практическое применение нашли только два метода — центробежно-ротационная и вибрационная обработка.
Наиболее производительным методом объемной обработки является центробежно-ротационная обработка (ПРО), суть которой состоит в том, что абразивный наполнитель и обрабатываемые детали приводятся во вращательное движение вокруг вертикальной оси рабочей камеры таким образом, что вся масса загрузки приобретает форму тора, в котором отдельные компоненты движутся по спиральной траектории. При этом обработка осуществляется за счет относительного перемещения и взаимодействия гранул наполнителя и деталей и сопровождается непрерывной подачей в рабочую камеру жидкости специализированного состава. Таким способом обрабатываются детали различной геометрической формы, недеформируемые в тороидально-винтовом потоке [74, 77, 81].
Детали могут загружаться в рабочую камеру «внавал» вместе с наполнителем. При этом обработка осуществляется за счет относительного перемещения и взаимодействия гранул наполнителя и деталей, и сопровождается непрерывной подачей в рабочую камеру рабочей жидкости специализированного состава. Давление частиц наполнителя на детали, возникающее под действием центробежных сил в 7-10 раз больше давлений возникающих при вибрационной обработке. Поэтому, соответственно, повышается производительность процесса.
Впервые технологический процесс центробежно-ротационной обработки СМП предложен в Пензенском государственном университете [41, 42, 70, 71]. ЦРО по сравнению с виброобработкой обладает следующими преимуществами: высокой производительностью, многократно (5... 10 раз) превышающей виброобработку; возможность реализации с помощью простого по конструкции оборудования, не содержащего динамически неуравновешенных элементов, имеющего более низкий уровень шума при работе и более высокую долговечность.
В тоже время высокие скорости перемещения гранулированной обрабатывающей среды и обрабатываемых деталей приводят к тому, что при соударениях в тороидально-винтовом потоке обрабатываемых СМП друг с другом могут происходить выкрашивания режущих кромок. Для исключения сколов снижают частоту вращения ротора и увеличивают долю абразивного наполнителя в рабочей камере, что снижает производительность процесса.
Вибрационная обработка [3, 4] в зависимости от типа применяемой обрабатывающей среды представляет собой механический или химико- механический процесс съема мельчайших частиц металла и его окислов с обрабатываемой поверхности частицами обрабатывающей среды, совершающими в процессе работы колебательные движения. Процесс сопровождается последовательным нанесением на поверхность обрабатываемых деталей большого числа микроударов частицами обрабатывающей среды при их взаимном соударении и скольжении. Удары вызваны действием направленных вибраций, сообщаемых рабочей камере, в которой размещены обрабатываемые детали и рабочая среда.
Схема установки для вибрационной обработки показана на рис. 1.2 Обрабатываемые детали и обрабатывающая среда загружаются в рабочую камеру, которая, смонтирована на пружинах и может колебаться в различных направлениях. Камере сообщаются вибрации от инерционного вибратора (вращающийся вал с несбалансированными грузами) с частотой 900—3000 кол/мин и амплитудой от 0,5 до 5—9 мм. При этом частицы обрабатывающей среды и обрабатываемые детали перемещаются относительно друг друга, совершая при этом два вида движений: колебание и медленное вращение всей массы загрузки (циркуляционное движение). От стенок рабочей камеры вибрация передается прилегающим слоям обрабатывающей среды, которые передают ее следующим слоям и т. д. В процессе обработки детали занимают различные положения в обрабатывающей среде, что обеспечивает достаточно равномерную обработку всех поверхностей [4].
Рисунок 1.2 - Схема вибрационной установки:
1 - рабочая камера; 2 - шланг подачи рабочей жидкости; 3 - насос; 4- бак-отстойник; 5 — труба для слива; 6 — спиральная пружина; 7 - вал с несбалансированными грузами; 8 - груз; 9 — основание; 10 — ленточная пружина
Интенсивность вибрационной обработки зависит от режимов и ее продолжительности, характеристик и размеров частиц обрабатывающей среды, объема рабочей камеры и степени ее заполнения, механических свойств материала обрабатываемых деталей и др. Наиболее общими параметрами процесса являются силы ударов (микроударов) и характеристика частиц рабочей среды.
Средняя температура в рабочей камере при обработке с непрерывной циркуляцией раствора обычно не превышает 25-30 С, а при обработке всухую 35—50 С. При обработке деталей в виброустановках без дополнительного нагрева температурный фактор не оказывает существенного влияния на протекание процесса.
Динамическое воздействие обрабатывающей среды зависит от глубины погружения, расстояния от стенок рабочей камеры, режимов вибрации (амплитуды и частоты колебаний), размеров и плотности частиц обрабатывающей среды. Динамическое воздействие обрабатывающей среды и величина сил микроударов отдельных ее частиц возрастает с увеличением амплитуды и частоты колебаний, глубины погружения, размеров и плотности частиц обрабатывающей среды и по мере приближения к стенкам рабочей камеры.
Ориентация обрабатываемых деталей непрерывно изменяется в процессе обработки. Свободно загруженные детали движутся в потоке циркулирующей обрабатывающей среды с некоторым отставанием по скорости циркуляции. Отставание в большей мере проявляется в верхних слоях, а также по мере увеличения веса обрабатываемых деталей. Наряду с движением в потоке обрабатывающей среды обрабатываемые детали вращаются ориентировочно вокруг своего центра тяжести. Характер этого вращения зависит от формы обрабатываемых деталей. В процессе обработки детали стремятся расположиться на периферии циркулирующей обрабатывающей среды (не достигая, однако, стенок рабочей камеры и относительно равномерно распределяясь в ней).
Формирование поверхностного слоя в процессе вибрационной обработки происходит под действием многократно повторяющихся микроударов частиц обрабатывающей среды. Форма и размеры следов обработки определяются видом обрабатывающей среды, режимами обработки и характеристикой обрабатываемого материала. Например, при использовании абразивных сред образуются кратерообразные углубления и царапины длиной 0,3— 0,7 мм, имеющие по краям наплывы вытесненного в стороны металла.
Существует несколько технологических схем реализации процесса вибрационной обработки: обработка с циркуляцией раствора или без него; обработка свободно загруженных деталей, сравнительно небольших размеров с периодической или непрерывной загрузкой и разгрузкой; обработка тяжелых и крупногабаритных деталей, закрепленных в специальных приспособлениях; обработка длинномерных деталей типа труб, прутков, профилей и проволоки путем медленного протягивания их через окна, выполненные в стенках рабочей камеры.
Технологические возможности вибрационной обработки достаточно широки и определяются особенностями взаимодействия обрабатывающей среды с поверхностью обрабатываемых деталей, режимами обработки, характеристикой обрабатывающей среды.
Вибро-абразивной обработке СМП методом «внавал» присуще те же недостатки, что и центробежно-ротационной обработке, а именно взаимное столкновение обрабатываемых пластин, в результате чего на них появляются сколы. Поэтому для обработки сменных многогранных пластин желательно в процессе обработки исключить возможность взаимного соударения пластин.
Для обработки сменных многогранных пластин ТОО «Вибромаш УК» предлагает виброобрабатывающие установки «Вибринд», которые предназначены для индивидуальной обработки гранулированной абразивной средой твердосплавных неперетачиваемых металлорежущих пластин. Установки имеют оригинальный рабочий орган, состоящий из ложементов с ячейками для индивидуальной обработки и разделителей (рисунок 1.3),
Виброабразивные установки позволяют: повысить стойкость металлорежущих пластин; обеспечивать подготовку поверхностей пластин для нанесения износостойких покрытий; избежать сколов на режущих кромках пластин в процессе обработки.
Недостатком установок «Вибринд» является трудоемкость процесса загрузки-выгрузки обрабатываемых пластин и их отделения от абразива.
/. основание г. Опоре пру/Ьинная
Поддон
Методы оптимизации параметров и повышения качества технологических систем
Как показано выше, применение объемной вибрационной обработки, изменяющей такие характеристики режущего инструмента, как форма профиля нормального сечения режущего клина, микрогеометрия рабочих и опорных поверхностей, неоднозначно влияет на характеристики процесса его работы.
Так, увеличение радиуса р округления режущей кромки приводит к росту составляющих силы резания, изменению их соотношения, и соответственно, к благоприятному перераспределению напряжений в теле режущего клина. Однако рост силовых и тепловых нагрузок является фактором, отрицательно влияющим на прочность инструмента. Причем степень положительного и отрицательного влияния р на процесс работы инструмента зависит от конкретных условий его работы.
Поэтому в данном случае необходим поиск оптимального значения р и оптимального сочетания технологических параметров объемной обработки, обеспечивающих получение этого значения р [76].
Впервые модель для определения оптимального значения радиуса округления режущей кромки предложена Нырковым [41]. В данной модели для нахождения сил на передней и задней поверхности используются эмпирические зависимости для острой режущей кромки. Силы, действующие на задней поверхности инструмента, определяются методом экстраполяции силовых зависимостей на нулевую толщину срезаемого слоя. Это не позволяет учитывать влияние радиуса округления на силы, действующие на задней поверхности. Для определения сил резания на всех участках инструмента необходимо использовать аналитические зависимости, позволяющие более точно учитывать влияние геометрии инструмента и свойств обрабатываемого материала.
Срезаемый слой в работе [41] для нахождения сил резания разделяется на две части: - первая часть взаимодействует с передней поверхностью инструмента и отделяется в стружку; - вторая часть, взаимодействующая с радиусной частью, вминается в поверхность обрабатываемой детали.
Согласно данным работ [41, 57], часть срезаемого слоя взаимодействующая со скругленной режущей кромкой не полностью вминается в поверхность обрабатываемой детали, а частично отделяется в стружку. Поэтому срезаемый слой для определения сил резания необходимо разделить на три части.
В общем случае методика оптимизации представляет собой совокупность математических результатов и численных методов, ориентированных на нахождение и идентификацию наилучших вариантов из множества альтернатив [55]. Эффективность оптимизационных методов тесно связана с широким использованием достижений в области математики путем реализации итеративных вычислительных схем, опирающихся на строго обоснованные логические процедуры алгоритмы. Поскольку размерность научных и инженерных задач, как правило достаточно велика (т.е. они содержат большое количество переменных и постоянных параметров), а расчеты в соответствии с алгоритмом оптимизации требуют значительных затрат времени, оптимизационные методы в настоящее время ориентированны главным образом на реализацию с помощью средств вычислительной техники.
Для того чтобы использовать математические результаты и численные методы оптимизации для решения конкретных задач, необходимо реализовать следующие этапы постановки задачи оптимизации [54]:
- установить границы подлежащей оптимизации системы. Обычно предполагается, что взаимосвязи между системой и внешней средой зафиксированы на некотором выбранном уровне представления. Однако может возникнуть необходимость расширения установленных границ системы путем включения других подсистем, оказывающих существенное влияние на функционирование исследуемой системы;
— определить количественный характеристический критерий, на основе которого можно произвести анализ вариантов с целью выявления "наилучшего" ("наилучшему" варианту всегда соответствует минимальное или максимальное значение критерия). В ряде случаев желательно найти решение, являющиеся "наилучшим" с позиций нескольких различных критериев. Один из путей учета совокупности противоречивых целевых установок состоит в том, что какой—либо из критериев выбирается в качестве первичного, тогда как остальные критерии считаются вторичными. В этом случае первичный критерий используется при оптимизации как характеристическая мера, а вторичные критерии порождают ограничения оптимизационной задачи [54, 59];
— осуществить набор внутрисистемных независимых переменных, которые используются при определении характеристик и идентификации вариантов. Независимые переменные должны адекватно описывать условия функционирования системы. Необходимо проводить различие между переменными, значения которых могут изменяться в достаточно широком диапазоне, и переменными, значения которых фиксированы и определяются внешними факторами. Независимые переменные должны выбираться таким образом, чтобы все важнейшие технико-экономические решения нашли отражение в формулировке задачи;
— построить модель, отражающую взаимосвязи между переменными.
В принципе оптимизационное исследование можно провести на основе непосредственного экспериментирования с системой, при котором следует зафиксировать значения независимых внутрисистемных переменных, реализовать процедуру наблюдения за функционированием системы в данных условиях и оценить значение характеристического показателя качества функционирования системы, исходя из зарегистрированных характеристик. Затем с помощью специальных оптимизационных методов (например, симплекс-метода) можно скорректировать значения независимых переменных и продолжить серию экспериментов.
Разработка математической модели процесса вибрационной обработки СМП
Задача активного управления технологическим процессом ВО, его оптимизации, требует создания и математического описания общей картины процесса во всей его взаимообусловленности. В качестве основного параметра ВО рассматриваются силы соударений частиц среды и обрабатываемых деталей.
Поведение абразивной среды при вибрационном воздействии представляет собой динамический процесс, характеризующийся соответствующими параметрами перемещений и силовых взаимодействий. Абразивная среда и отдельные ее частицы под действием колебаний, сообщаемых ей стенками рабочей камеры, совершают сложные движения: медленная циркуляция всей массы, колебания ее, колебания отдельных частиц (относительные виброперемещения), угловые вращения частиц, возникающие вследствие косых соударений. [3, 4]
Существующие математические модели для описания движения загрузки рабочей камеры для объемной вибрационной обработки можно разделить на две группы: 1) модели, в которых загрузка контейнера учитывается присоединенной массой; 2) модели, в которых рассматривается взаимодействие загрузки и контейнера вибромашины, но с определенными допущениями. Это пренебрежение взаимодействием обрабатываемых деталей друг с другом и влиянием обрабатываемых деталей на движение обрабатывающей среды, действие обрабатывающих тел на обрабатываемые детали рассматривается как влияние сплошной среды, движущейся по заданному закону и связанной с обрабатываемой деталью силами трения [63]. Поэтому известные модели не полностью описывают процессы, происходящие во время реальной обработки. Кроме того, известные модели рассматривают определенные схемы обработки (обработка методом "внавал" или обрабатываемые детали закреплены на неподвижном приспособлении), вследствие этого они не могут быть применены для описания предлагаемой технологии обработки.
Создание модели, позволяющей по заданным характеристикам рабочей камеры, обрабатывающей среды и обрабатываемых деталей непосредственно определять режимы ВО, позволит оперативно корректировать параметры обработки. Такая модель может быть разработана на базе программ CAD и CAE- систем, в частности с применением программы SolidWorks, MS С. v is ualNas tran Desktop 4 D.
Так как рабочая камера совершает плоскопараллельное движение, то силы соударения равны во всех поперечных сечениях. Поэтому можно моделировать процесс обработки в одной плоскости, проходящей перпендикулярно оси вала вибратора, что сокращает время расчета [26, 44].
Порядок решения задачи моделирования движения загрузки контейнера машин для объемной вибрационной обработки следующий: 1. Построение твердотельных моделей деталей вибромашины по рабочим чертежам с применением С4 -системы Solid Works Education Edition. 2. Создание сборки рабочей камеры машины с применением той же CAD-системы. Элементы конструкции машины, не влияющие на результаты расчета (неподвижные детали) в модели не учитывались. 3. Добавление в сборку рабочей камеры модели гранулированной обрабатывающей среды - шариков (рис. 2.3). 5. Распределение элементов сборки по подвижным и неподвижным деталям. 6. Моделируются цилиндрические пружины. 7. Задание граничных условий: 7.1. устанавливается необходимая жесткость пружин и коэффициент демпфирования. 7.2. прикладывается вращение к валу вибратора и задается его частота. 7.3. добавляется 3D — контакт между шариками, обрабатываемыми деталями и стенками рабочей камеры. 8. Задание свойств материала деталей с использованием встроенной в visualNastran Desktop 4D библиотеки. 9. Настройка расчетных параметров моделирования (время расчета, шаг расчета и т.д.). 10. Непосредственно сам расчет. Модель позволяет определить координаты, скорости, ускорения, силы соударения абразивных гранул и обрабатываемых СМП в любой момент времени с заданным шагом расчета. Также модель позволяет определить общее число соударений N абразивных гранул с обрабатываемой деталью, происходящих в единицу времени, а также число соударений NK, NT соответственно с кромками обрабатываемой СМП и плоскими гранями. Для определения сил соударения обрабатываемых СМП и абразивных гранул результаты экспортируются в текстовый файл. В текстовом файле результата расчета приведено время, когда произошло соударение, координаты, силы соударения.
Влияние радиуса округления режущей кромки инструмента на характеристики процесса резания
Основой процесса округления острых кромок является микрорезание, сопровождаемое съемом мельчайших частиц обрабатываемого материала [3]. Съем металла сопровождается образованием лунок, навалов впереди движения абразивных частиц и буртов по сторонам лунок у пластичных металлов. Для хрупких металлов образование лунок происходит по схеме скалывания, без образования буртов и навалов.
Повышенная интенсивность обработки кромок объясняется также уменьшением площади контакта частиц рабочей среды с обрабатываемой поверхностью и увеличением вследствие этого удельного давления и глубины внедрения абразивных зерен в материал обрабатываемой детали.
Для разработки модели единичного взаимодействия приняты следующие допущения: 1. Все физико-механические свойства поверхности детали постоянны, т. е. частица осуществляет микрорезание однородного и изотропного полупространства. 2. Твердость абразивных зерен бесконечно большая по сравнению с твердостью материала детали. 3. Деформаций гранулы и смещения абразивных зерен не происходит. 4. В течение одного акта микрорезания геометрия гранулы не изменяется. 5. Макрогеометрической моделью гранулы является сфера заданного радиуса.
В качестве модели геометрии абразивной гранулы принята сфера из которой выступают абразивные зерна как непересекающиеся пирамиды. Абразивное зерно моделируется как куб, часть которого выступает из связки, образуя на поверхности зерна пирамиду. (Рисунок 2.12)
Так как твердый сплав является хрупким материалом, то в результате взаимодействия абразивной гранулы и обрабатываемой детали происходит внедрение абразивного зерна в результате чего выкрашиваются зерна карбида вольфрама. [14, 34] Объем лунки и глубину внедрения абразивного материала можно определить исходя из твердости материала СМП по Виккерсу НУ.
Число твердости по Виккерсу обозначают НУ, его находят по формуле [88]: где Ротп - площадь отпечатка, Р - нагрузка, действующая на индентор, Н; /отп - длина диагонали отпечатка, мм Л/д - количество одновременно обрабатываемых деталей; Сзп - зарплата персонала с начислениями; ТУст - количество установок, обслуживаемых одним рабочим; Сц - цеховые расходы, приходящиеся на единицу номинального фонда работы станка; иА - расход абразивного наполнителя; -КПА - коэффициент, учитывающий повторное использование абразивного наполнителя; Сэл. эн. стоимость электрической энергии, руб./кВт-мин.
Полученные зависимости позволяют, определять время обработки, необходимое для получения требуемого радиуса округления кромок и шероховатости обработки. Решая обратную задачу можно рассчитать оптимальные режимы вибрационной обработки.
Графические интерпретации полученных зависимостей радиуса округления кромок СМП и шероховатости поверхностей СМП от времени обработки приведены на рисунках 2.14-2.15.
Анализ зависимости радиуса округления кромок СМП от времени обработки (рис. 2.14) показывает, что интенсивное изменение радиуса округления происходит в первые 40 минут обработки. При дальнейшем увеличении времени обработки скорость изменения радиуса округления уменьшается. При большей амплитуде колебаний рабочей камеры округление режущих кромок происходит быстрее. (2.30)
Анализ зависимости шероховатости поверхностей СМП от времени обработки (рис. 2.15) показывает, что интенсивное уменьшение шероховатости поверхностей СМП происходит в первые 100 минут обработки.
Разработка автоматизированной сервисной информационно- вычислительной системы
Из анализа результатов моделирования процесса объемной ВО и условий работы СМП выяснено, что решать задачи применения ВО СМП возможно различным сочетанием технологических параметров. Например, достичь одного и того же радиуса р округления режущей кромки СМП или ее шероховатости Яа можно различным сочетанием значений времени обработки, амплитуды колебаний рабочей камеры вибрационной машины, частоты колебаний.
Отсюда вытекает необходимость оптимизации параметров ВО СМП, т.е. нахождения режимов, использование которых обеспечивает наилучшее (максимальное или минимальное) значение показателя, выбранного в качестве критерия оптимизации. Критерием оптимальности является минимальное время обработки и как следствие минимальная стоимость обработки. На рисунке 4.1 и 4.2 представлены зависимости времени достижения требуемого радиуса округления и требуемой шероховатости поверхности от режимов вибрационной обработки. Эти графики пересекаются, т.е. при режимах соответствующих линии пересечения одновременно достигается требуемый радиус округления и требуемая шероховатость поверхности. Целью оптимизации является определение режимов обработки соответствующих минимальному времени.
Для реализации этого необходимо разработать соответствующую методику оптимизации, которая должна базироваться на построенных моделях процессов ВО и резания. - сформулировать в области применения ВО СМП конкретные задачи, для решения которых применяется данный метод, - для каждой из задач определить критерий оптимизации и целевую функцию, т.е. зависимость показателя, выбранного в качестве критерия оптимизации- от переменных параметров процессов, - описать входные и выходные данные для моделей процессов, использующихся при решении каждой из задач, - описать ограничения, задаваемые для параметров моделей при решении каждой из задач, - для каждой из задач разработать алгоритм поиска экстремума целевой функции.
ВО СМП может применяться для решения следующих задач: 1. Обеспечение заданного радиуса р округления режущей кромки СМП. Критерием оптимальности для данной задачи является минимальное время обработки и как следствие минимальная стоимость обработки. 2. Повышение прочности СМП, работающей в конкретных условиях резания. Критерий оптимальности - минимальные напряжения аг в режущем клине при неизменных условиях резания 3. Повышение производительности обработки резанием за счет увеличения толщины и ширины срезаемого слоя.
Каждая из задач может решаться в случае разработки технологии ВО для обработки конкретной номенклатуры СМП на имеющемся технологическом оборудовании.
Для задач 1 методика оптимизации базируется на модели процесса объемной ВО СМП.
Для задач 2 и 3 методика оптимизации базируется на моделях процессов объемной ВО и условий работы СМП (процесса резания). Причем эти модели взаимодействуют на уровне входных / выходных данных (см. рис. 4.3), т.е. в процессе оптимизации выходные данные модели ВО — радиус р округления режущей кромки и шероховатость Яа поверхности СМП - должны передаваться в качестве входных данных в модель резания.
Описание входных данных для модели объемной ВО СМП приведены в таблице 4.1, выходных данных - в таблице 4.2, ограничений параметров - в таблице 4.3.
Описание входных данных для модели условий работы СМП (процесса резания) приведены в таблице 4.4, выходных данных в таблице 4.5, ограничений параметров в таблице 4.6. Модель обработки СМП (модель ВО) Входные данные Функциональные зависимости Выходные данные Ограничения Модель работы СМП (модель процесса резания) Входные данные м : Методика оптимизации Критерий Алгоритм Функциональные зависимости Выходные данные Ограничения
