Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. цель и задачи исследований 12
1.1. Современные методы исследований физико-химических процессов
и явлений при механической обработке 13
1.2. Современные методы контроля процессов механической обработки... 23
1.3. Применение методов газового анализа к решению задач контроля процессов механической обработки 40
1.4. Цель, задачи и общая методика исследования 52
1.5. Выводы 56
2. Математическое моделирование физико- химических процессов в зоне резания при механической обработке 58
2.1. Физические модели формирования газовоздушной среды в зоне резания 59
2.2. Математическое моделирование диффузии при резании металлов 84
2.2.1. Закономерности теплового распределения и тепловой энергии при резании металлов 84
2.2.2. Математическое описание диффузии примесей при резании металлов 104
2.2.3. Математическое моделирование диффузии примесей при изменении условий резания 114
2.2.4. Диффузия при деформировании срезаемого слоя и контакте режущего инструмента с обрабатываемой заготовкой и стружкой 140
2.2.5. Моделирование процесса усадки стружки при различных значениях скорости резания 144
2.3. Математическое моделирование процессов газообразования в зоне резания 148
2.4. Выводы 165
3 . Контроль процессов механической обработки на основе анализа газовоздушной среды в зоне резания 168
3.1. Контроль процессов механической обработки с использованием метода газового анализа 168
3.2. Влияние технологических параметров механической обработки на формирование газовоздушной среды в зоне резания 177
3.3. Общие принципы контроля процессов механической обработки на основе метода газового анализа 190
3.3.1. Методы и средства активного контроля процессов механической обработки на основе газового анализа 194
3.3.2. Отбор проб анализируемой газовоздушной среды, удаление стружки, пыли и продуктов химического взаимодействия из зоны резания 203
3.4. Выводы 209
4 . Экспериментальное исследование процессов механической обработки на основе многоуровнего анализа диффузии игазообрабования 211
4.1. Оценка качества поверхностей крупногабаритных изделий в процессе обработки 211
4.2. Влияние технологических параметров металлообработки на процесс диффузии примесей и газообразования 217
4.3. Контроль процессов механической обработки на основе многоуровнего анализа диффузии и теплового распределения 241
4.4. Выводы 252
5. Реализация разработанных методов и средств контроля механической обработки на основе оценки образования газов в зоне резания 255
5.1. Контроль процессов механической обработки на основе анализа газообразования 255
5.2. Оценка работоспособности режущего инструмента, как средство повышения технологической надежности технологического оборудования 266
5.2.1. Диагностирование состояния режущего инструмента 266
5.2.2. Оценка работоспособности абразивного инструмента 274
5.3. Технологические рекомендации 289
5.3.1. Рекомендации по использованию средств контроля процессов механической обработки и выбору контрольно-измерительной аппаратуры 294
5.3.2. Комплексный контроль обеспечения качества изделий г при укрупненном нормировании технологии их ремонта и изготовления 303
5.3.3. Основные направления дальнейших исследований в перспективе развития нового направления 310
5.4. Выводы 312
Общие выводы и заключения 314
Список литературы 317
Приложения 338-365
- Современные методы контроля процессов механической обработки...
- Закономерности теплового распределения и тепловой энергии при резании металлов
- Влияние технологических параметров механической обработки на формирование газовоздушной среды в зоне резания
- Влияние технологических параметров металлообработки на процесс диффузии примесей и газообразования
Введение к работе
Актуальность проблемы. Надежность методов контроля процессов механической обработки в значительной степени определяется их простотой, многофункциональностью и получением достоверной информации" об исследуемых объектах и свойствах внешних воздействий. Несмотря на общий интерес к методам контроля процессов механической обработки существенной проблемой остается оценка наиболее широкого спектра физико-химических явлений и получение необходимых сведений в условиях ограниченной информации об исследуемом объекте и свойствах внешних воздействий в системе ЗИССо (заготовка - инструмент - стружка - среда охлаждения).
Дальнейшее повышение качества обрабатываемых изделий и производительности ограничено отсутствием универсальности методов контроля. Реальные процессы, проходящие в системе ЗИССо с высокими скоростями и широким диапазоном внутренних и внешних воздействий, разнообразным набором характеристик, свойственным случайным функциям, могут быть оценены непосредственно во время обработки переменных составляющих традиционных источников информации. Широко известные способы оценки процессов механообработки, основанные на измерении сил резания, виброакустической эмиссии, термоЭДС и другие, не дают полной информации о протекающих процессах и не в полной мере раскрывают свои потенциальные возможности, поэтому их применение в автоматизированных системах управления и контроля ограничено.
На предприятиях машиностроительного комплекса используют различные методы контроля процессов механической обработки, служащие для оперативного контроля состояния оборудования, обрабатываемого материала, обнаружения неисправностей и т.д., включая диагностирование состояния режущего инструмента и контроль обрабатываемой поверхности.
В последнем случае, известные оперативные методы неразрушающего контроля не позволяют однозначно оценить качество приповерхностных слоев обрабатываемых изделий, что приобретает особую актуальность, и имеет важное практическое значение.
За последние годы получило развитие новое направление, в основу которого положено исследование и разработка методов контроля процессов механической обработки, в частности диагностирование состояния режущего инструмента, на основе анализа диффузионных процессов и газообразования в зоне обработки. В то же время анализ выполненных работ показал, что многие теоретические и практические вопросы в этом направлении требуют дальнейших решений. Именно на их основе возможно создание научно-обоснованных надежных методов контроля.
В связи с этим задача исследования диффузии и газообразования, разработка математических моделей, отражающих многообразие процессов, и технических средств контроля является актуальным.
РОС I
г,
і.
гообрн
""МЬНАЯ
( КА "1 рг
Таким образом, актуальна научная проблема, которой и посвящена настоящая диссертационная работа - установление взаимосвязей между физико - химическими и термодеформационными процессами, а также состоянием режущего инструмента и качеством обрабатываемого материала с параметрами образования регистрируемых газов.
Цель работы. Повышение эффективности процессов механической :
обработки на основе положений анализа газообразования и термодеформационного преобразования энергии при резании металлов.
Общая методика исследования. В диссертационной работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования осуществлялись на базе научного машиноведения, технологии машиностроения и теории резания металлов с использованием методов механики сплошной среды, физической химии, теплофизики трения и термодинамики, теории автоматического управления, теории прочности, основ газового анализа и материаловедения.
Экспериментальные исследования выполнялись с использованием современных аппаратных средств и приборов для количественной и качественной оценки физико-химических свойств в зоне резания.
Научная новизна полученных в работе результатов заключается в следующем:
установлена взаимосвязь физико-химических и термодеформационных процессов механической обработки с параметрами газообразования в зоне резания;
установлена взаимосвязь изменения состояния режущего инструмента с параметрами газообразования в зоне резания при механической обработке;
разработаны методы непрерывного контроля газовоздушной среды, отображающей физико-химические процессы в зоне резания при механической обработке материалов;
установлены закономерности изменения усадки стружки при
различных условиях обработки заготовок на основе моделирования
физико-химических процессов и контроля газовоздушной среды в зоне і
резания;
- разработаны устройства контроля механической обработки,
обеспечивающие заданные физико-химические условия анализа і
газовоздушной среды в зоне резания.
Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов заключается в следующем:
- разработаны алгоритмы и программы моделирования физико-химических процессов в зоне резания при механической обработке;
разработаны устройства контроля механической обработки на основе активного анализа газовоздушной среды в зоне резания;
предложены методы определения состояния режущего инструмента в процессе обработки.
Реализация результатов работы. Работа представляет собой полное комплексное исследование процессов диффузии примесей, образования газов и их массоперенос в газовоздушном пространстве зоны обработки, характеризующих изменение состояния режущего инструмента и качество поверхностей обрабатываемых изделий.
Основным научным результатом диссертации является разработка методов и средств контроля процессов механической обработки, в которой впервые учитывается влияние структурных W энергетических превращений в срезаемом слое на интенсивность течения физико-химических явлений и на процесс механической обработки в целом.
Диссертационная работа обобщает научные исследования, выполненные на кафедре 'Технология машиностроения" Новгородского государственного университета имени Ярослава Мудрого в рамках хоздоговорной и госбюджетной тематики в период с 1989 по 2001 годы при непосредственном участии автора. Ее тема является составной частью исследовательской тематики и является одним из новых научных направлений кафедры.
Результаты диссертационной работы внедрены в ОКБС ЛСПО им. Я.М Свердлова в виде методик контроля процессов механической обработки, на Новгородском АО "АКРОН", завода "ЮПИТЕР" г. Валдай и НПО "КОМПЛЕКС" г. Новгорода.
Апробация работы. Основные научные результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:
Научно - технический семинар ЛДНТП, Л/О "Знание" (г. Ленинград, 1991 г. 5 - 6 марта).
Международная научно-техническая конференция "Технология - 96". (17-19 мая 1996 г., г. Новгород.).
Международный семинар "Актуальные проблемы прочности", (г. Новгород, 1997 г.).
Международный семинар "Современные проблемы прочности", (г. Старая Русса, 1998 г.).
Международная Международной научно - техническая конференция "Сварка, электротермия и родственные технологии", секция "Механообработка" (г. Великий Новгород, 26 - 27 мая 1999 г.).
Международная Международной научно - техническая конференция "Сварка, электротермия и родственные технологии", секция "Механообработка" (г. Великий Новгород, 1-2 июня 2000 г.).
Международная Международной научно - техническая конференция "Технологии третьего тысячелетия" (Санкт-Петербург - Великий Новгород, 24 - 26 мая 2001 г.).
Международная научно- техническая конференция "Прогрессивные технологии обработки материалов, режущий инструмент и оснастка". (Санкт-Петербург. 17-19 декабря 2003.).
Международный Форум технологов-машиностроителей, посвященный 90 - летаю Маталина А. А. (С.-Петербург 25-26 марта 2004.).
Кроме этого результаты работы докладывались в Московском институте инженеров железнодорожного транспорта, в Новгородском государственном университете, в Ивановском государственном университете и в Петербургском институте машиностроения.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 91 научная работа, в том числе 6 монографий, 1 положительное решение на изобретение, 1 авторское свидетельство СССР и 3 патента РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, списка литературы из 227 наименований и приложений. Общий объем работы составляет 365 страница машинописного текста, включая 90 рисунков и 26 таблиц. В работе приняты следующие обозначения: ЗИССо - заготовка-инструмент-стружка-среда охлаждения, ЗИС -заготовка-инструмент-стружка.
Современные методы контроля процессов механической обработки...
При использовании средств непрерывного контроля отказ инструмента может быть обнаружен в начальной его стадии. Поэтому его последствия менее разрушительны и не приводят к отказам других элементов технологической системы. Кроме того, существует возможность определить степень затупления инструмента при изменении расположения очага превалирующего износа. Для этого необходимо исследовать влияние этих изменений на параметры процесса резания, принятые в качестве диагностических признаков с тем, чтобы в дальнейшем различать не только величину износа инструмента, но и расположение его на рабочих поверхностях.
Известно, что шероховатость обработанной заготовки существенно зависит от износа режущего инструмента. Это явление было использовано рядом авторов для оценки состояния инструмента [192,198,216]. Анализ данных показывает, что шероховатость обработанной заготовки редко используют в качестве диагностического параметра износа инструмента в связи с некоторыми условиями обработки, характеристиками динамической системы станка и прочее. Трудности использования этого параметра вызваны неудобством измерения шероховатости поверхности отверстий малого диаметра, невозможностью контроля случайных поломок инструмента в процессе резания [216], где шероховатость обработанной поверхности, расположенной напротив резца, оценивается оптическим методом. Участок контролируемой поверхности освещается источником света, отраженные лучи которого воспринимаются телевизионной камерой. Наличие СОТС и стружки искажают оптический сигнал и снижают надежность данного метода.
Промышленное телевидение и оптические устройства позволяют приступить к созданию устройств контроля ширины ленточки и износа в процессе резания с высокой точностью. Оптические и оптико-электронные устройства позволяют получить изображение освещенной зоны износа в момент, когда инструмент не находится в контакте с заготовкой. Таким образом, эти устройства можно применять для контроля износа ленточки зуба при фрезеровании и сходных с ним процессов обработки. Действие устройства основано на том, что ленточка лучше отражает световые лучи, чем остальная поверхность фрезы [77]. Получению изображения поврежденной части режущего инструмента с помощью системы данного типа может препятствовать наличие стружки в зоне контроля, СОТС, запыленность и так далее.
Для размерного контроля вращающегося инструмента [217], установленного в шпинделе станка, например, используют прерывание световых лучей, направленных перпендикулярно к движению инструмента. Для измерения износа инструмент вместе со шпинделем перемещается на быстром ходу до момента перекрытия инструментом первого луча, при этом происходит переключение с быстрого хода на рабочую подачу. При перекрытии второго луча запоминаются координаты положения шпинделя, на основании которых автоматически вычисляется размер инструмента в направлении движения.
Основанный на использовании оптоэлектронной техники, машинного видения и аналого-цифровой интерпретации изображения метод измерения износа по задней поверхности описан в работе [182]. Для освещения изношенного участка задней поверхности режущего инструмента используется гелиево-неоновый лазер мощностью около 4 кВт с диаметром луча 0,8 мм и углом дивергенции в пределах 1 мрад. Изображение участка износа благодаря отражению света попадает на фоточувствительную пластинку камеры. Синхронизированный видеосигнал построчно сканируется и после математической обработки выводится на графический дисплей. При данной системе контроля и ее реализации допускается измерение износа с точностью до 0,1 мм. Время обработки информации в системе составляет менее двух секунд. Но эти методы не допускают измерения износа при непрерывной обработке, что является недостатком и затрудняет реализацию в автоматизированных системах.
Более успешным в настоящее время представляются работы по измерению износа инструмента на станке с помощью датчиков касания [29,94,205]. Эти методы развились благодаря повышению точности измерительных устройств в системах управления и появлению надежных датчиков касания. Простота этих датчиков, возможность организации беспроводной связи при установке датчика в шпиндель станка и высокая точность фиксации контакта обеспечили их широкое распространение. Диапазон датчиков и их применения достаточно велик. Так с их помощью происходит измерение размеров заготовки, косвенная оценка износа инструмента, непосредственное измерение износа, определение целостности инструмента и т.д. Оценка износа обычно проводится по следующей схеме: исполнительный орган станка выводит режущий инструмент в измерительную позицию до момента касания датчика, в момент касания определяется координата положения измерительного органа, после обработки заготовки данная операция повторяется, по разности координат судят об износе инструмента. Наиболее просто проверить длину сверл, метчиков и подобных им осевых инструментов. Как правило, эти измерения не требуют высокой точности. Сравнительно несложной задачей является определение положения вершины токарных резцов с некоторым усложнением алгоритмов измерения. Наиболее сложен процесс определения износа фрез, где требуется высокая точность установки шпинделя в угловые положения. Недостатком этого метода является необходимость к высокой точности выхода исполнительного органа станка в измерительную позицию. Наличие налипов и стружки на инструменте отрицательно сказывается на точности и надежности данного метода. Кроме этого, увеличение скорости перемещения рабочего органа станка ограничивается динамическими характеристиками самих датчиков.
К методам контроля состояния режущего инструмента, реализуемым вне основного времени работы станка, условно можно отнести метод определения предельного износа инструмента по времени резания [19,89]. Срок службы инструмента, условия, применения которого известны, можно определить или на основе данных завода-изготовителя, или на основе опыта применения данного инструмента. Контролирование реального времени резания ведет система ЧПУ на основе данных о перемещениях рабочего органа станка на рабочей подаче или по сигналам от датчиков активного контроля.
Закономерности теплового распределения и тепловой энергии при резании металлов
При решении задач теплофизики широко используют математическое описание температурных полей [91], возникающих в твердых телах под действием различных источников теплоты, в основе которого лежит следующее положение. Температурное поле, возникающее в твердом теле под действием движущегося или неподвижного источника теплоты любой формы, действующего временно или непрерывно, можно получить как результат той или иной комбинации температурных полей, возникающих под действием системы точечных мгновенных источников теплоты. Например, для неограниченного тела математическое выражение выглядит следующим образом [91,106].
При значительных скоростях обработки материалов (точение, шлифование и т.д.) величина т в предэкспоненциальном множителе (2.24) настолько мала, что значение экспоненты стремится к нулю, и температура 6(x,y,z,x) любой точки тела с координатами х, у, z через т секунд после того, или в точке с координатами Xk, Yk, Zk имел место тепловой импульс, то есть, возник и погас мгновенно точечный источник теплоты, также стремится к нулю. Это не отражает реальной картины изменения температуры тела за короткий промежуток времени для практических расчетов и является основной причиной использования других решений при расчете тепловых полей.
Основными очагами теплоты при резании являются, как известно, плоскости сдвигов в срезаемом деформируемом слое материала и зоны трения передней и задней поверхности инструмента со сходящей стружкой и обрабатываемой заготовкой соответственно. В общем, виде уравнение теплового баланса имеет вид: Q =Qfl+Q + Qm + Qyn + Qcp = Qcp + Qn + Qw + Qco (2.25) где Од - количество теплоты, выделяемое от пластического деформирования срезаемого слоя при превращении его в стружку; Отз, И Qxn - количество теплоты , выделяемое при трении материала с задней и передней поверхностью инструмента соответственно; Qyn - теплота, обуславливающая появление в процессе резания упругих деформаций, преобразующих в затухающие в упругие колебания; QCP - теплота, развивающаяся при образовании новой поверхности при резании; ОЗАГ», QHQCTP., и Qco. - соответственно теплота, разделяемая между элементами системы "заготовка - инструмент - стружка - среда охлаждения" (ЗИССо). Как показывают исследования [49], при резании сталей основное количество тепла (до 80% и более) распространяется в срезаемую стружку, что определяет последнюю как носитель основной информации о процессе резания.
Сообщение внешней энергии для пластичного деформирования и разрушения слоя материала с преобразованием ее в тепловую вызывает протекание разнообразных физических и химических процессов в материале заготовки, на ее поверхности и на границе раздела гетерогенных фаз со средой охлаждения - структурные превращении и рекристаллизация, объемные и # пространственные изменения, появление напряжений, пластических деформаций и т. д. Эти процессы оказывают качественное влияние на изменение физико-химических свойств и состояние материала.
Теория тепловых процессов в технологических системах при резании, разработанная и дополненная рядом известных ученых: М. И. Клушиным, А.Н. Резниковым, А.Д. Макаровым, Т. Н. Лоладзе и др., является лишь частью общей теории теплопроводности и физических процессов. При пластическом деформировании кристаллической решетки материала в условиях резания нарушаются атомно-молекулярные связи, увеличивается избыточная энергия, которая преобразуется в тепловую. Преодоление сил трения ведет к дополнительным затратам энергии, которая, преобразуясь в тепловую, увеличивает количество образованной теплоты. То есть работу резания можно представить как энергию, затраченную на пластическое деформирование срезаемого слоя и превращением его в стружку, преодоление сил трения по задней и передней поверхностям режущего инструмента. Работой, затраченной на образование новой поверхности и работой сил, обуславливающих появление в процессе резания упругих деформаций, преобразующих в затухающие колебания, можно пренебречь, так как это составляет небольшую часть работы [91], затраченной на резание.
Для определения количества тепла, выделенного при деформировании стружки и трении инструмента с заготовкой и стружкой, используя известные уравнения [49,91], без учета теплоотдачи в среду охлаждения, уравнение (2.25) теплового баланса принимает вид Q = QTH + QT3 + Од (2 26) Таким образом, суммарную мощность Q теплового источника можно рассматривать как сумму теплоты деформирования Од, теплоты трения на надрезцовой стороне стружки Отп и на поверхности контакта изделия с инструментом QT3.
Влияние технологических параметров механической обработки на формирование газовоздушной среды в зоне резания
При проведении предварительных экспериментов [74,75,124] получены результаты об изменении концентрации ряда контролируемых газов в зоне обработки, отражающие состояние режущих инструментов, наличие аномальных участков поверхности обрабатываемого изделия и отклонение величины срезаемого слоя при лезвийной обработке.
В условиях точения заготовки из чугуна СЧ20 на токарном станке с различными скоростями, подачей S-0,5MM/O6 и глубиной резания =5мм неизношенным и искусственно затупленным инструментом осуществляется контроль образованных углеводородов ( СН). На рисунке 3.2 представлены гистограммы изменения концентрации углеводородов при обработке на различных скоростях стали 45 инструментом с пластинами из твердого сплава ВК8 с ф = 45, у - 0, а = 12 (применение режущих инструментов с твердосплавными пластинами из других материалов осуществлялось с аналогичными геометрическими параметрами). В первом случае, при точении инструментом с нулевым износом концентрация соединений углеводородов в зоне обработки на удалении 20 мм от поверхности контакта при повышении скорости до 0,83... 1,0 м/с увеличилась примерно в два раза. Затем, при дальнейшем повышении скорости, произошел последующий спад концентрации.
При точении инструментом с износом по задней поверхности Из = 0,8мм наибольшее значение концентрации наблюдалось при скорости и « 50м/мин. Повышение концентрации углеводородов в зоне обработки при увеличении скорости резания обусловлено повышением интенсивности срезаемого слоя, и соответственно, ростом выгораемых частиц и образованием контролируемых газов. При скоростях выше 0,83... 1,0 м/с увеличивается количество выгораемого углерода в единицу времени. Скорость выгорания при этом превышает скорость массы переноса атмосферного водорода с зоны обработки и уменьшается вероятность образования газов. Удаление газозаборной трубки на 50 мм от контактной поверхности режущего инструмента со стружкой показывает, что увеличение скорости резания сопровождается дальнейшим ростом концентрации образования газов. Износ инструмента сопровождается увеличением площади контакта, повышением тепловыделения, средней температурой стружки и увеличением вероятности образования газообразных соединений. Из рисунка 3.2 следует обратная зависимость.
Зависимость концентрации углеводородов в зоне обработки от скорости резания: кривая 1 - износ равен нулю; 2 - износ h3 = 0,8 мм; (удаление газообразной трубки от зоны резания - 20мм) и ух/оі Л л-А. В данном случае повышение средней температуры стружки влечет за собой увеличение теплоотдачи в воздушное пространство и возрастает вероятность соединения водорода с кислородом. Скорость протекания данной реакции превышает скорость соединения водорода с углеродом. Этим и обусловлено снижение концентраций углеводородов в зоне обработки при повышении скорости резания 0,83... 1,0 м/с.
Приведенная на рисунке 3.3 гистограмма показывает на уменьшение концентрации образованных углеводородов в процессе естественного износа режущего инструмента при точении чугуна СЧ20 со скоростью резания о = 0,5 м/с, подачей S = 0,5 мм/об и глубиной резания t = 5мм.
В результате приработки инструмента в течение пяти минут происходит некоторое увеличение концентрации углеводородов, связанное с интенсивным износом. Затем - постепенный спад при естественном постепенном износе режущего инструмента. Резкое повышение интенсивности износа инструмента, его выкрашивание приводит к повышению средней температуры стружки за счет образования новой контактной поверхности, ее роста и кратковременного повышения средней температуры стружки. На рисунках 3.4 и 3.5. приведена гистограмма газообразования углеводородов при обработке чугуна СЧ20 с твердостью НВ 143 на токарном станке инструмента с пластинами из твердого сплава ВК8 со скоростью v = 1,95 м/с, подачей S = 0,5 мм/об и глубиной резания t = 2,5мм.
Как вытекает из рисунков 3.4 и 3.5 кратковременное повышение интенсивности образования углеводородов более чем в 50 раз происходит вследствие выкрашивания инструмента, которое определялось визуально путем обнаружения полосы обрабатываемой поверхности.
Влияние технологических параметров металлообработки на процесс диффузии примесей и газообразования
Обработка стали 08Х18Н10Т на данном станке токарными резцами с механическим креплением пластин из твердого сплава ВО с главным углом Ф= 93 осуществлялась при скорости резания и= 1,5 м/с, подачей S = 0,25 мм/об и глубине резания t = 1,5 мм с определением усредненных за 1,28 секунды значения силы тока с отсечкой холостого хода.
При износе задней грани режущей части инструмента от 0 до 1 мм увеличение потребляемой силы тока составило 30... 60%. Наибольшее возрастание отмечалось в тех случаях, когда в большей степени износу подвергалась задняя поверхность. При сколах и выкрашивании главной режущей кромки зарегистрировано значительное (более 200%) возрастание потребляемой силы тока, в то время как сколы вершины, приводящие к уменьшению глубины резания, как правило, снижали ее величину.
Дальнейшие исследования влияния различных условий и режимов резания на силу тока позволили установить, что разброс усредненных сигналов при неизменных условиях обработки составил не более 15%. В связи с этим в решении поставленной задачи установлено, что измерение силы тока, потребляемой двигателем подач, может быть использовано для контроля процесса резания в условиях черновой обработки. Кроме этого данный метод может быть реализован при создании синтезированной системы контроля и управления.
Для определения коэффициента усадки стружки Г в ходе проведения экспериментов использованы микрометрические измерительные инструменты, а также выражение (2.145). Как было отмечено в главе 2 при трении инструмента со стружкой и обрабатываемым изделием в течение периода контакта происходит полное или почти полное "выгорание" примесных частиц из обрабатываемого материала на глубине проникновения теплоты трения А. В связи с этим при формализованном подходе предполагается, что примеси металла за период контакта его инструментом диффундируют к поверхности раздела гетерогенных фаз и образуют с кислородом воздуха летучие соединения.
Экспериментальное определение температуры деформирования Тд вызвано трудностями, связанными с наличием на данный момент развития техники методов контроля, определения температуры в процессе резания во внутренних объемах снимаемой стружки, которые реализованы и применяют по сей день для определения температуры контактных прирезцовых поверхностей. Поэтому при исследовании концентрационных полей зоны обработки, образованных примесями металла и атмосферного воздуха, для определения температуры деформирования Тд использована формула (2.124), входящая в математические выражения (2.110) и (2.111), которые позволяют определить концентрацию диффундируемых частиц при деформировании срезаемого слоя и в течение действия внешних сил.
Исследования проводились при точении ряда сталей с различными режимами резания и степенью износа режущего инструмента. Для определения относительного коэффициента отвода теплоты х" деформации Ь использована формула (2.73), входящая в выражения (2.110) и Далее в таблицах представлены расчетные значения относительной концентрации N/No диффундирующих примесей при различных условиях точения ряда сталей при экспериментальном определении составляющих силы резания Pz и Ргч по регистрируемой силе тока в цепи якоря двигателя продольной подачи и коэффициента усадки стружки ц. Концентрация образованных примесными атомами оксидов серы SO2 углерода СО и СОг определяли расчетным путем в соответствии с формулой (2.167) и проводили газовый анализ с использованием газоанализатора на различном удалении датчика от зоны резания. Оперативное определение количества выгораемых примесей и решение этой задачи, а также исследование миграции примесей во внутренних слоях стружки и обрабатываемых поверхностях заготовки затрудненно вследствие отсутствия необходимой методики и специального оборудования. Известные химические, радиоизотопные, рентгеновские и другие методы исследования структуры и состояния материалов, недостаточно полно позволяют определить ход миграционных процессов в снимаемой стружке при резании. Поэтому возникает необходимость в новом подходе исследования этого влияния, что необходимо для оперативного контроля состояния процесса резания и диагностирования состояния режущего инструмента. В связи с этим возникает необходимость исследования режимов обработки (скорости резания, подачи и глубины резания), физико-механических свойств и химического состава обрабатываемого материала и режущего инструмента, сил резания, температуры трения или температуры деформирования срезаемого слоя и т.д. на характер миграции примесных элементов и их выгораемость [154].
При обработке меди и мягких сталей уменьшение коэффициента усадки rj связано с увеличением толщины среза а, а при резании средних и твердых сталей четкой зависимости не наблюдается. Можно считать, что значения rj не зависят в этих случаях от толщины срезаемого а. Значения коэффициента усадки, полученные при резании различных сталей приблизительно в одинаковых условиях, отличаются в несколько раз [41]. Исследования относительного содержания углерода и серы, в стружке при различной подаче S и глубине резания t показали, что содержание примесей в стружке изменяется. Так, например, при точении стали 45 с подачей S = 0,05...0,39 мм/об, глубиной резания t = 0,1...2,0 мм и скоростью резания V = 1,67...4,17 м/с резцом с пластинами из твердого сплава Т15К6 в стружке остается около 90% углерода и около 80% серы. Для ряда сталей и им соответствующих значениях твердости, предела текучести и содержания углерода наравне с коэффициентом усадки стружки т меняется относительное содержание оставшихся после выгорания примесей.
