Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Шероховатость поверхности как предмет изучения 9
1.1. Параметры шероховатости и их влияние на эксплуатационные показатели деталей машин 8
1.2. Формирование микропрофиля поверхности при продольном точении 20
1.3. Расчетные зависимости для определения параметров шероховатости поверхности 31
1.4. Цель и задачи работы 38
Глава 2. Моделирование процесса несвободного резания методом конечных элементов 41
2.1. Исходные положения 41
2.2. Определение возможности и условий применения программного продукта MSC.Patran-Marc моделированием процесса свободного резания 48
2.3. Моделирование процесса несвободного резания 63
Глава 3. Экспериментальное исследование шероховатости поверхности 85
3.1. Методика исследования 85
3.2. Формирование микропрофиля по результатам экспериментальных исследований 90
3.3. Относительная опорная длина профиля 100
3.4. Сопоставление результатов моделирования несвободного резания и эксперимента 108
Глава 4. Некоторые аспекты практического применения результатов исследования 112
4.1. Прогнозирование шероховатости поверхности, отвечающей разрабатываемой операционной технологии 112
4.2. Двухчленные формулы для расчета высотных параметров микронеровностей 115
4.3. Решение практических задач 118
Общие выводы 120
Библиографический список 123
Приложение
- Формирование микропрофиля поверхности при продольном точении
- Определение возможности и условий применения программного продукта MSC.Patran-Marc моделированием процесса свободного резания
- Формирование микропрофиля по результатам экспериментальных исследований
- Двухчленные формулы для расчета высотных параметров микронеровностей
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В условиях, когда первоочередной задачей машиностроительного производства становится выпуск конкурентно способной продукции, па передний план выдвигается обеспечение высокого уровня изготавливаемых изделий по всему спектру эксплуатационных показателей. Аналогичные требования предъявляются и к деталям, входящим в их состав. Важнейшие свойства деталей машин, такие как несущая способность, длительная и усталостная прочность, износостойкость, надежность и долговечность, непосредственно определяет качество их изготовления. Получение поверхности с оптимальными параметрами в настоящее время приобретает даже большее значение, чем производительность. Особо это относится к обработке резанием, являющейся, как правило, конечным этапом в производстве деталей машин. Уже на ранней стадии изучения шероховатости поверхности были предприняты попытки определить высоту микронеровностей расчетным путем с помощью геометрических построений как высоту остаточного гребешка. В результате было установлено, что действительная высота микронеровностей отличается от расчетной и может превышать её в несколько раз. При отсутствии нароста как основную причину такого расхождения, всегда имеющего место, рассматривают пластическое течение металла из зоны стружкообразования в направлении формирующегося гребешка. Таким образом, высоту микронеровности можно представить как расчетную высоту, определяемую геометрическим построением, и ее приращение, обусловленное процессом резания. Если при расчетном определении высоты остаточного гребешка вычисление геометрической составляющей представляет решенную задачу, то аналитическое нахождение деформационной составляющей является задачей особой сложности, так как связана с объемным пластическим деформированием. При её решении с использованием аппарата классической теории пластичности возникает необходимость в ряде допущений, которые серьезно снижают достоверность получаемых результатов. Развитие методов математического моделирования открыло дополнительные возможности для изучения деформированного состояния зоны стружкообразования с выходом на шероховатость получаемой поверхности. Это и определило возможность и обоснованность постановки и выполнения данной работы.
Цель работы. Установить закономерности образования деформационной составляющей микропрофиля поверхности при продольном точении.
Задачи работы:
1. На конечно-элементной модели, отражающей напряженно-деформированное
состояние зоны стружкообразования при свободном резании, как более про
стой, проверить возможность получения достоверных результатов при исполь
зовании выбранного программного обеспечения.
2. Сформировать конечно-элементную модель несвободного резания, отра
жающую течение материала в сторону остаточных гребешков, которая дает
возможность оценить деформационную составляющую высоты микронеровностей.
С использованием созданной модели установить влияние геометрических параметров резца и режимов резания на деформационітую составляющую высоты неровностей.
Для проверки достоверности результатов математического моделирования провести натурные эксперименты.
Рассмотреть формирование структурных параметров шероховатости поверхности.
Разработать рекомендации по прогнозированию величины высотных параметров шероховатости.
Методы исследования. При выполнении работы использованы основные положения, методология и методы исследования технолопіи машиностроения и теории резания. Для решения основных задач использовано компьютерное моделирование методом конечных элементов в программном комшіексе MSC.Patran-Marc.
Достоверность полученных результатов. Обеспечивается сходимостью результатов моделирования и эксперимента по продольному точению; воспроизводимостью результатов экспериментов; согласованием полученных результатов с результатами других авторов в пограничных областях.
Научная новизна работы.
Создана конечно-элементная модель процесса несвободного резания при продольном точении, описывающая наряду с процессом стружкообразования и деформирование микропрофиля обработанной поверхности. Модель учитывает нелинейность свойств обрабатываемого материала, большие пластические деформации зоны стружкообразования, тепловое состояние системы и контактное взаимодействие инструмента и заготовки.
С использованием разработанной модели установлено влияние параметров обработки на высоту деформационной составляющей остаточных гребешков.
Вскрыта связь деформационной составляющей остаточных гребешков со степенью деформирования образующейся стружки и направлением ее схода. Показано, что с увеличением усадки стружки и с уменьшением угла ее схода этот параметр растет, как результат течения металла, создающего гребешок, в направлениях его вершины и свободной поверхности.
Установлено, что углы профиля остаточных гребешков в поперечном сечении, вследствие перемещения формирующего их металла, возрастают в сопоставлении с задаваемой геометрией инструмента в плане.
Предложена система математических зависимостей, позволяющих рассчитать геометрическую составляющую опорной кривой микропрофиля. С их помощью оценен вклад геометрической и деформационной составляющих в ее образование.
Практическая ценность:
Решена задача прогнозирования шероховатости получаемой поверхности в связи с задаваемыми параметрами обработки.
Разработаны рекомендации по назначению режимов резания финишных операций точения, исходя из требуемой шероховатости поверхности, обеспечивающие возможность технологического получения Ra, Sm, tla и /!0.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Обоснованность применеши для моделирования напряженно-
деформированного состояния зоны стружкообразования при лезвийной обра
ботке программного комплекса MSC.Patran и MSC.Marc.
Модель, отражающую напряженно-деформированное состояние зоны стружкообразования при свободном резании.
Модель несвободного резания, дополнительно отражающую течение материала в сторону остаточных гребешков и позволяющую оценить деформационную составляющую высоты микронеровностей.
Результаты численного эксперимента, устанавливающего влияние геометрических параметров резца и режимных параметров на деформационную составляющую высоты неровностей и опорной кривой.
Результаты натурных экспериментов, дополняющих и развивающих результаты математического моделировашш.
Рекомендации по использованию сформированной базы данных о параметрах шероховатости поверхности в условиях финишной обработки.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на Международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование -2005» (г. Санкт-Петербург, 2005), Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2006), Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Ростов-на-Дону, 2007), Всероссийской конференции «Будущее машиностроение России» (г. Москва, 2008г). Полностью работа доложена на научном семинаре факультета технологии и компьютеризации машиностроения Иркутского государственного технического университета.
Реализация результатов работы. Результаты исследований используются на ОАО «Машзавод», г. Чита, ОАО «103 БТРЗ», г/п Атамановское, также в учебном процессе кафедры оборудования и автоматизации машиностроения Иркутского государственного технического университета.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и приложений. Работа изложена на 155 страницах, содержит 74 рисунка, 31 таблиц}', библиографический список из 112 наименований.
Формирование микропрофиля поверхности при продольном точении
Процесс формирования микротопографии поверхности и роль в этом процессе технологических параметров обработки изучали многие исследователи. В их число входят В.Ф. Безъязычный, A.M. Дальский, Н.Б. Демкин, И.В. Ду- нин-Барковский, А.Н. Еремин, H.H. Зорев, А.И. Исаев, А.И. Каширин, Г.Л. Куфарев, A.A. Маталин, С.С. Силин, А.Г. Суслов, Э.В. Рыжов, А.П. Хусу, M.Oi Якобсон, П.И. Ящерицын. Тем не менее, по-прежнему работы в этой области представляют огромный интерес и практическую ценность, так как знание сути процесса позволяет в какой-то мере им управлять, обеспечивая получение оптимальных величин параметров шероховатости. Более того, в последнее время работы такого направления стали еще более актуальным, поскольку непрерывно повышаются требования к эксплуатационным характеристикам деталей машин и приборов, которые в свою очередь зависят практически от всех параметров качества поверхности.
С методической точки зрения шероховатость поверхности удобно разделять на расчетные неровности и действительный микропрофиль. Под расчетными неровностями понимают такие, высоту и очертания которых можно определить из геометрических построений при следующих допущениях: обрабатываемый материал считается абсолютно недеформируемым, лезвия инструмента представляют собой геометрические линии; технологическая система абсолютно жесткая. Действительные неровности, образуемые на обработанной поверхности при проходе режущего инструмента, в общем случае по форме и величине отличаются от расчетных как результат деформационных процессов, сопровождающих образование новой поверхности. В связи с этим высоту действительных микронеровностей можно представить как сумму расчетной высоты Яр (геометрическая составляющая) и её приращения, связанного с процессом резания. Это приращение высоты неровностей получило различные наименования [26, 20]. В дальнейшем изложении будем его именовать деформационной составляющей Яд с учетом природы данного явления.
К числу основоположников учения о качестве поверхности следует отнести профессора Михайловской артиллерийской академии В.Л. Чебышева, который на основании своих исследований предложил формулу для определения высоты неровностей при фрезеровании [62] где к - высота следа обработки; а х - дуга, измеряющая угловое расстояние между смежными зубьями фрезы; л — подача детали; со — угловая скорость фрезы; г - радиус фрезы.
Последующие исследования шероховатости поверхности в своей большей части относятся к обработке цилиндрических поверхностей, поскольку именно к ним в первую очередь предъявлялись повышенные требования по качеству исполнения. В силу причин, отмеченных в 1.1, первоначально было обращено внимание на определение расчетной высоты неровностей. Примечательно, что в значительной мере это было связано с определением площади остаточного гребешка, с целью уточнения влияния размеров поперечного сечения среза на силы резания.
Рассматривая ряд форм поперечного сечения среза И. Клопшток в 1926 г. выводит формулу, позволяющую определить расчетную высоту остаточного гребешка при радиусе закругления вершины резца гф 0 [38]. Согласно схемы, представленной на рис. 1.3
Определение возможности и условий применения программного продукта MSC.Patran-Marc моделированием процесса свободного резания
Резание металлов является исключительно сложным процессом, включающим пластическое течение срезаемого металла, при деформациях, которые не достигаются при других технологических процессах, и его разрушение в предельных условиях. На поверхностях контакта инструмента и обрабатываемого материала, возникает трение, близкое по своей природе к сухому. Создающиеся контактные температуры, определяемые теплостойкостью инструментального материала, для твердых сплавов и неметаллических инструментальных материалов могут превышать 1000С. В силу указанных причин процесс резания чаще всего изучается на идеализированных моделях со многими допущениями [2]. Для создания модели, в максимально возможной мере отвечающей реальному процессу резания, было принято решение провести исследование в два этапа. Первый этап предусматривал осуществление моделирования процесса свободного резания, как более простого, отвечающего плоскому напряженному состоянию. Его целью было установить возможность моделирования процесса резания выбранным конечно-элементным программным продуктом и оценить степень непосредственного воздействия скорости резания как скорости деформации и температурного фактора на поведение обрабатываемого материала в зоне стружкообразования. Второй этап заключался в создании модели несвободного резания, учитывающей результаты первого этапа, которая позволяла бы решить основные задачи работы. В качестве основных критериев выбора конечно-элементного программного продукта для создания запланированных моделей, были приняты следующие: 1. подход к рассмотрению процесса резания должен быть термомеханическим; 2. в результате расчета в объемных моделях могут быть получены большие конечные напряжения и пластические деформации; 3. необходимо автоматическое улучшение искаженной сетки конечных элементов, как вариант 3D remeshing; 4. возможность регулирования скорости перемещения инструмента, а значит и скорости деформации деформируемого материала; 5. возможность задания условий контактного взаимодействия между заготовкой и инструментом. Существует ряд программ, расчет в которых основан на методе конечных элементов. Для моделирования процесса свободного резания в некоторых работах использована программа ABAQUS [91, 97, 103, 106, 107, 109]. Известно применение также для случая свободного резания программного продукта LS- Dyna [22, 108], но лицензионная версия данной программы отсутствует.
Также используют в некоторых исследованиях процесса резания и износа инструмента конечно-элементные программы DEFORM2D и DEFORM3D компании Scientific Forming Technologies Corporation [94, 98, 112]. Специализированный программный продукт AdventEdge [110] имеет математический аппарат и интерфейс, полностью настроенные на изучение процесса резания при осуществлении ряда операций, вплоть до фрезерования. Однако данный программный продукт мало распространен, а его лицензионная версия стоит довольно дорого. Принимая во внимание изложенное, было решено использовать MSC.Marc фирмы MSC.Software, как наиболее универсальный программный продукт, с помощью которого можно решать задачи, относящиеся к области больших напряжений и деформаций. Моделирование процесса как свободного, так и несвободного резания осуществляли с помощью пре- и постпроцессора MSC.Patran с расчетным комплексом Marc компании MSC.Software Corporation. MSC.Patran позволяет интегрировать автоматизированные системы проектирования, моделирования, анализа и оценки результатов, необходимых для исследования. С помощью соответствующих настроек в MSC.Patran возможно подготовить модели и обработать результаты для большинства расчетных систем на уровне мировых стандартов. Расчетная система МБС.Магс является универсальной конечно-элементной программой, ее применение особенно эффективно для проведения углубленного анализа высоконелинейного поведения конструкций. С помощью М8С.Магс возможно получение значений деформаций и напряжений при нагружении тел произвольной формы, проведение анализа: частотного, электростатического, магнитостатического, термомеханического и так далее. Подлежат решению задачи, по условиям которых конструкции подвергаются большим линейным и угловым перемещениям, а их материалы имеют нелинейные свойства или свойства, зависящие от истории нагружения, присутствует сложное контактное взаимодействие частей конструкции. К числу главных достоинств программного продукта МБС.Магс относится автоматическая переразбивка модели с переносом промежуточных результатов расчета на обновленную сетку, для случая плоского деформирования подпрограмма айпезЬ2с1, объемного — айпезЬЗ 1; возможность моделирования абсолютно жестких контактирующих поверхностей (дискретных или заданных аналитически), что позволяет использовать его для создания модели несвободного резания. Суть привлеченного для построения модели процесса резания метода конечных элементов заключается в том, что действительное атомистическое строение металлического тела заменяется более простой эквивалентной схемой, когда тело расчленяют на сколь угодно большое число отдельных объемов любой геометрической формы. Таким образом, его представляют совокупностью конечных элементов (КЭ), причем свойства каждого элемента считаются независимыми от остальных, то есть тело рассматривается как дискретная система.
Формирование микропрофиля по результатам экспериментальных исследований
Деформационную составляющую микропрофиля поверхности, образующейся при лезвийной обработке, определяли как разность между измеренной шероховатостью и её геометрической составляющей, которую рассчитывали по формулам представленным в табл. 1.3Конечно, при этом в величину входили и составляющие, обусловленные действием других факторов, которые были перечислены в 1.4. Следовательно, фактическое значение деформационной составляющей должно быть несколько меньшей. Однако, принимая во внимание соображения, изложенные в том же параграфе, а так же, что опыты проводили тщательно доведенным инструментом при высокой жесткости технологической системы, были все основания полагать, что полученные значения деформационной составляющей микропрофиля близки к действительно имеющим место.
Влияние скорости резания на деформационную составляющую высоты микронеровностей иллюстрируют графики на рис. 3.2 и 3.3.
Полученный результат вполне прогнозируем. В условиях отсутствия на- ростообразования увеличение скорости резания сопровождается монотонным уменьшением шероховатости поверхности. Этот результат согласуется и с результатами моделирования (рис. 2.27,6), и с ранее полученными экспериментальными зависимостями = /(у) (например [88, 20]). Имеет место также согласование изменения Яд с изменением усадки стружки. Соответствующие графики приведены на рис. 3.4 и 3.5. Только при обработке стали 40Х частичный выход зависимостей С =/(у) в зону наростообразования произошел при скоростях резания у = 60...80м/мин, но выход усадки стружки на экстремальные значения не отразился на шероховатости поверхности. В целом же устанавливается логическая связь: с увеличением скорости резания снижается степень деформации срезаемого металла как результат роста температуры резания и уменьшения коэффициента трения между стружкой и передней поверхностью инструмента [20, 24], меньшей становится и деформационная составляющая высоты микронеровностей.
Влияние подачи на деформационную составляющую высоты микронеровностей можно проследить, обратившись к рис. 3.2 и 3.3. Эта же зависимость в явном виде представлена на рис. 3.6. Как видим, с увеличением подачи наблюдается хотя и медленный, но все же рост деформационной составляющей высоты микронеровностей. Тем самым находит подтверждение зависимость рд = /(у), полученная моделированием процесса резания.
Вместе с тем, как можно заключить из рис. 3.4 и 3.5, имеет место рассогласование между влиянием подачи на деформационную составляющую высоты микронеровностей и на усадку стружки. В связи с этим следует полагать, что на деформационную составляющую высоты микронеровностей оказывает влияние не только степень деформации срезаемого металла, но и направление деформации. Такое заключение можно сделать на основании анализа перемещения металла в процессе формирования остаточного гребешка, установленного при моделировании (рис. 2.28,6). В частности, как следует из рис. 2.24, приращение высоты остаточного гребешка обусловлено пластическим течением металла вдоль вспомогательной режущей кромки. Отсюда следует, что изменение ориентации главных деформаций в зоне стружкообразования, внешне выражаю
Двухчленные формулы для расчета высотных параметров микронеровностей
С учетом возможностей технологических служб механообрабатывающего производства и характера решаемых задач наряду с аналитическим решением задачи определения высотного параметра шероховатости была сформирована информационная база для их расчета полуаналитическим методом. Этот путь предусматривает аналитическое вычисление геометрической составляющей, а для определения приращения высоты неровностей, обусловленного процессом резания, использование эмпирической формулы, полученной в ходе выполнения исследования.
Как было показано в 1.1, в качестве одной из форм представления уравнений для расчета высотных параметров шероховатости является их двухчленная структура. Первое слагаемое является геометрической компонентой, второе - рассматривают как приращение остаточного гребешка, связанное с отделением стружки. Очевидно, что формулы такого вида в должной степени отражают механизм образования микронеровностей и могут найти применение при отсутствии необходимых вычислительных средств. Вместе с тем, как следует из 1.3, Г.А. Прейс [66] фактически выдвинул только идею создания двухчленных формул без её развития в части определения приращения высоты остаточного гребешка, а С.И. Тахман для расчета дополнительной высоты микронеровности предусматривает использование усадки стружки [89]. Если учесть, что определение усадки стружки возможно только экспериментальным путем, а в расчет к тому же введены и эмпирические зависимости, путь, предложенный С.И. Тах- маном, вряд ли продуктивен. То же самое можно отнести и к формуле расчета деформационной составляющей, предложенной О.П. Лившиц [42]. Проще, а следовательно, и точнее будет напрямую связать приращение высоты остаточного гребешка с параметрами обработки эмпирическими формулами соответствующего вида. Поэтому было сочтено целесообразным продолжить работу в этом направлении. Для расчета деформационной составляющей по результатам обработки экспериментальных данных была получены степенная зависимость следующего вида где С!{ и КУк — коэффициенты, зависящие соответственно от свойств обрабатываемого материала и переднего угла резца; ун, ик и у„- показатели степеней, характеризующие влияние параметров обработки на величину деформационной составляющей высоты микронеровностей: подачи 5 мм/об, скорости резания V м/мин и радиуса закругления вершины резца г мм. Численные значения всех этих величин приведены в табл. 4.1.
Анализируя данные табл. 4.1, можно отметить, что представленные в ней величины в полной мере отражают те связи, которые определяют деформационную составляющую высоты микронеровностей. Как видим, увеличение твердости обрабатываемого материала, влекущее за собой уменьшение степени деформации срезаемого металла, сопровождается и уменьшением значения Ск. В силу той же причины уменьшается и ук. Большее значение ик для стали 40Х в сопоставлении со сталью 12Х18Н10Т можно объяснить тем, что в первом случае исследованный диапазон скоростей относился к области более интенсивного изменения степени деформации срезаемого металла. В подтверждение сошлемся на ранее приведенные рис. 3.4 и 3.5, которые иллюстрируют зависимости усадки стружки от скорости резания для сталей 40Х и 12Х18Н10Т. Обращает на себя внимание малое значение qR. Полагаем, что уже создание малого радиуса при вершине резца уже резко снижает концентрацию напряжений в этой области. Поэтому его дальнейшее увеличение в отличие от геометриче ской составляющей высоты микронеровностей не приводит к существенному снижению Яд.
Расчетное определение Яг как суммы геометрической и деформационной составляющих с использованием для нахождения Яд приведенной выше формулы обеспечивает вполне приемлемую точность результата. Подтверждением этому могут служить данные табл. 4.2, в которой сопоставлены расчетная высота микронеровностей с измеренной.
В круг решаемых задач технологического обеспечения качества поверхностного слоя деталей машин вошла разработка рекомендаций по назначению режимов резания для финишных операций точения, исходя из требуемой шероховатости поверхности взамен операции круглого наружного шлифования.
По данным работы [80] при шлифовании закаленной стали 30ХГСНА на доводочных режимах обработки, параметры шероховатости, измеренной в поперечном направлении, имеют следующие значения: Яа = 0,19мкм, Ктах = 1,35мкм, -1,85%, г50 =14,68%. Согласно [86] операцией тонкого точения можно получить шероховатость 8-9 классов, при этом комплексный параметр шероховатости — относительная опорная длина профиля — для соответствующих уровней р может варьироваться в пределах: = 10... 12%, 50 = 30...35%. Относительная опорная длина профиля определяет работу деталей в контакте, поэтому лучшие эксплуатационные характеристики имеют поверхности с большими параметрами tp на уровнях р 50%. Операция тонкого точения позволяет получать соизмеримые высотные параметры шероховатости поверхности и лучший комплексный параметр , чем шлифование.
Особенностью составленных рекомендаций является то, что основой выбора режимов резания служило обеспечение параметров шероховатости Яа, Бт, 120 и 150 с учетом во вторую очередь периода стойкости инструмента и производительности. Предлагаемые материалы ориентированы на применение современных отечественных [25, 27, 55] и зарубежных [54, 111, 104] инструментальных материалов.
При компоновке таблиц с рекомендуемыми режимами резания были использованы данные [4, 18, 51, 60] и результаты исследований по формированию микропрофиля.
Рекомендации приняты для использования предприятиями ОАО «Машза- вод», г. Чита, ОАО «103 БТРЗ», г/п Атамановское, также в учебном процессе кафедры оборудования и автоматизации машиностроения Иркутского государственного технического университета (Приложение 3 и 4).
