Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор работ, направленных на повышение эффективности АСТГШ механической обработки деталей из жаропрочных сплавов 13
1.1. Автоматизация и повышения эффективности процессов обработки резанием 13
1.1.1. Конструктивные и технологические особенности деталей из жаропрочных сплавов 13
1.1.2. Технология обработки деталей на станках с ЧПУ, выбор режимов резания и СТО 22
1.1.3. Основные способы повышения эффективности механообработки деталей из жаропрочных сплавов в автоматизированном производстве 32
1.2. Современное состояние и проблемы информационного технологического обеспечения АСТГШ 37
1.3. Ускоренный выбор технологических условий процессов резания методами и средствами диагностики 41
1.4. Повышение эффективности АСТПП на основе термосилового моделирования процессов резания 54
1.4.1. Схематизация зоны деформации обрабатываемого материала при резании, соотношения скоростей и сил резания 55
1.4.2. Математическое моделирование интенсивности напряжений в зоне резания 62
1.4.3. Определение температуры деформации при резании 67
1.4.4. Оценка изнашивания, деформации и разрушения режущего инструмента при резании 71
2. Расчет температур в зоне резания и на контактных поверхностях инструмента при обработке жаропрочных сплавов с учетом износа инструмента .. 93
2.1. Разработка математической модели расчета температуры в зоне резания жаропрочных сплавов 93
2.2. Разработка математической модели и алгоритма расчета температуры на передней поверхности инструмента при точении никелевых сплавов 112
2.3. Разработка математической модели и алгоритма расчета температуры на задней поверхности застойной зоны и фаски износа при точении никелевых сплавов 122
2.4. Особенности расчета температуры на передней и задней поверхностях инструмента при точении титановых сплавов 126
2.5. Исследование влияния условий резания при точении жаропрочных сплавов на средние температуры контактных поверхностей и температуру в условной плоскости сдвига 130
2.6. Выводы по главе 2 136
3. Расчет составляющих силы косоугольного несвободного резания с учетом влияния геометрических параметров срезаемого слоя и износа режущего инструмента 139
3.1. Алгоритм расчета механических характеристик процесса свободного прямоугольного резания на основе модели зоны резания с одной плоскостью сдвига 141
3.1.1. Расчет термомеханических параметров прямоугольного резания 141
3.1.2. Расчет сил свободного прямоугольного резания 150
3.2. Алгоритм расчета механических характеристик процесса свободного косоугольного резания 151
3.2.1. Геометрические параметры процесса свободного косоугольного резания 151
3.2.2. Расчет сил свободного косоугольного резания 161
3.3. Построение модели для расчета интенсивности напряжений в условной плоскости сдвига 163
3.4. Применение методов теории подобия и размерности для анализа термомеханических параметров при резании 166
3.5. Методика построения термомеханической зависимости интенсивности напряжений обрабатываемого материала в зоне резания от условий деформации и создания базы данных прямоугольного резания 178
3.6. Исследование влияния износа режущего инструмента по задней грани на силы свободного прямоугольного резания 184
3.7. Алгоритм расчета сил свободного косоугольного резания при продольном точении 187
3.7.1. Расчет критериев подобия свободного косоугольного резания 187
3.7.2. Расчета составляющих силы свободного косоугольного резания 191
3.7.3. Исследование влияния износа режущего инструмента по задней грани на силы свободного косоугольного резания 193
3.7.4. Сравнение рассчитанных значений сил свободного косоугольного резания с экспериментально полученными значениями... 195
3.8. Алгоритм расчета сил несвободного косоугольного резания 197
3.8.1. Расчет составляющих силы косоугольного несвободного резания при продольном точении 197
3.8.2. Геометрические параметры процесса несвободного косоугольного резания 200
3.9. Алгоритм расчета сил при торцевом и контурном точении 213
3.10. Сравнение рассчитанных значений сил несвободного косоугольного резания с экспериментально полученными значениями... 218
3.11. Разработка программного обеспечения для расчета составляющих силы несвободного косоугольного резания 221
3.12. Выводы по главе 3 227
4. Разработка многопараметровой автоматизированной системы диагностики процесса резания 229
4.1. Временные характеристики процесса резания 229
4.2. Измерительная аппаратура 231
4.2.1. Функциональная схема стенда 231
4.2.2. Измеритель сигналов акустической эмиссии (АЭ) 235
4.2.3. Измеритель силовых параметров 238
4.2.4. Трехканальный измеритель вибраций 240
4.2.5. Универсальный модуль сбора данных 241
4.3. Программное обеспечение 245
4.3.1. Структура программного обеспечения 245
4.3.2. База данных 249
4.3.3. Программа приема данных 255
4.3.4. Программа обработки данных 264
4.3.5. Программа контроля состояния процесса резания 269
4.4. Выводы по главе 4 270
5. Разработка специализированного инфомационно-технологического обеспечения астпп на основе измерения параметров физических явлений и термо силового моделирования процессов резания 271
5.1. Построение термосиловой математической модели для расчета режущего инструмента на долговечность при циклическом нагружении под действием сил и температур резания 271
5.2. Исследование интенсивности изнашивания режущего инструмента с применением метода акустической эмиссии . 279
5.2.1. Экспериментальное определение оптимальной скорости резания и интенсивности изнашивания инструмента при точении никелевых и титановых сплавов. 279
5.2.2. Выбор информативных параметров АЭ и интервалов их регистрации для оценки интенсивности изнашивания инструмента 295
5.2.3. Разработка методики определения зависимости стойкости инструмента от режимов резания при заданном максимальном износе инструмента 302
5.3. Расчет интенсивности изнашивания режущего инструмента с помощью термосиловой математической модели 310
5.3.1. Экспериментальное определение коэффициентов термосиловой математической модели для расчета интенсивности изнашивания режущего инструмента 311
5.3.2. Расчет времени работы инструмента и ширины фаски износа в конкретный момент времени с помощью термосиловой модели для расчета интенсивности изнашивания режущего инструмента. 316
5.3.3. Проверка адекватности термосиловой модели при расчете стойкости инструмента с новой геометрией 320
5.4. Разработка специализированного информационно-технологического обеспечения АСТПП с использованием термо силовой модели для расчета интенсивности изнашивания режущего инструмента 326
5.5. Выводы по главе 5 334
6. Внедрение результатов автоматизированных исследований процессов обработки резанием при технологической подготовке производства деталей из жаропрочных матриалов 336
6.1. Внедрение многопараметровых измерительных стендов для технологической подготовки механообрабатывающего производства 336
6.2. Разработка технологических рекомендаций по внедрению эффективных марок быстрорежущих сталей, твердых сплавов сверхтвердых материалов и упрочняющих покрытий. 343
6.3. Оценка технологических свойств и выбор эффективных составов смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС) для обработки резанием деталей из жаропрочных сплавов 352
6.4. Разработка рекомендаций по назначению режимов резания деталей из никелевых и титановых сплавов с применением прогрессивных инструментов, оснащенных СМП 364
Основные выводы и результаты 369
Список использованной литературы 371
Список условных обозначений 384
- Современное состояние и проблемы информационного технологического обеспечения АСТГШ
- Разработка математической модели и алгоритма расчета температуры на передней поверхности инструмента при точении никелевых сплавов
- Алгоритм расчета механических характеристик процесса свободного косоугольного резания
- Исследование интенсивности изнашивания режущего инструмента с применением метода акустической эмиссии
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время производство газотурбинных авиационных двигателей (ГТД) является, одной из интенсивно развивающихся отраслей промышленности На основе ГТД создаются стационарные газотурбинные установки (ГТУ) для газоперекачивающих станций, привода для наземного и водного транспорта и т д
Для производства современных и перспективных двигателей требуются новые сплавы на никелевой и титановой основе с повышенными жаропрочными свойствами Технологические свойства этих сплавов, и, прежде всего, их низкая обрабатываемость резанием, а также конструктивные и технологические особенности заготовок из них определяют повышенную трудоемкость процессов механической обработки, которая составляет более половины трудоемкости изготовления современного двигателя
Интенсификация производства и повышение качества ГТД и ГТУ осуществляется на базе автоматизации и информационной поддержки всего жизненного цикла изделия от разработки проектно-конструкторской документации и технологии производства изделий до их испытаний и сервисного обслуживания По-прежнему значительной долей в себестоимости разработок изделий остается технологическая подготовка производства, т к автоматизация и информационное обеспечение этого этапа имеет высокую трудоемкость из-за отсутствия необходимой технологической информации и, прежде всего, по режимам обработки резанием деталей из новых жаропрочных сплавов
Актуальность этой проблемы также обусловлена тем, что в последние годы в технологий производства ГТД применяются высокопроизводительные многооперационные станки с ЧПУ, оснащенные инструментами с твердосплавными и керамическими сменными многогранными пластинами (СМП) как правило, импортного производства Отсутствие технологической информации по режимам резания и стойкости инструмента при использовании новых инструментальных материалов, упрочняющих покрытий, форм СМП и СОТС для обработки резанием деталей из жаропрочных никелевых и титановых сплавов снижает эффективность технологической подготовки производства Для выбора эффективных условий обработки деталей необходимо проведение трудоемких и материалоемких экспериментальных исследований по определению режимов резания и стойкости инструмента при проектировании конкретных операций (переходов) в технологических процессах
Проблеме оптимизации режимов резания и стойкости инструмента посвящено большое количество научно-исследовательских работ Отечественными и зарубежными учеными созданы научные школы и инженерные методики по определению режимов резания, в основе которых приняты различные методы исследований эмпирические, теоретические, диагностические и метод подобия Вместе с тем, применяемые в настоящее время методические материалы и нормативы на режимы резания и стойкости инструмента, изданные более двадцати лет назад, не соответствуют требованиям современных технологий и не могут являться информационной базой для автоматизированных систем технологической подготовки производства (АСТПП)
Решение проблем современного производства, связанных с внедрением нового оборудования, режущих инструментов, упрочняющих покрытий и СОТС, требует больших временных и материальных затрат на проведение экспериментальных исследований по выбору режимов резания для всех операций и переходов технологического процесса обработки деталей При современных темпах развития автоматизированного производства проведение таких исследований традиционными методами перестает быть эффективным
Для значительного сокращения трудоемкости и материалоемкости экспериментальных исследований и повышения эффективности выбора технологических условий обработай резанием жаропрочных сплавов на основе термосиловых моделей процесса резания необходимо разработать методы и программы расчета контактных напряжений и температур, а также составляющих сил резания и термосиловые моделей стойкости режущего инструмента, создание и использование которых в свою очередь требует формирования интегрированной программно-информационной системы, включающей многопараметровые измерительные средства, удовлетворяющие по своим динамическим и временным характеристикам физическим явлениям, происходящим в процессе резания жаропрочных сплавов и изнашивания режущего инструмента
Представленные в работе термосиловые модели процесса резания не ограничиваются, как в ранее проведенных исследованиях, режимами резания обрабатываемых материалов или технологическими рекомендациями на отдельные операции (переходы) Эти модели в комбинации с многопараметровыми измерительными средствами устанавливают зависимость работоспособности режущего инструмента от действующих сил и температур, которые в свою очередь определяются режимами резания, геометрией инструмента и обрабатываемой поверхности детали и интенсивностью изнашивания инструмента для пары «инструментальный обрабатываемый материал.
Целью работы является разработка методов термосилового моделирования и автоматизированных средств измерения параметров физических явлений в процессе механической обработки для сокращения трудоемкости и материалоемкости выбора режимов резания труднообрабатываемых материалов на этапе технологической подготовки производства
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи создание математических моделей, алгоритмов и программного обеспечения для расчета условий пластического деформирования и температуры в зоне резания и на контактных поверхностях инструмента с обрабатываемым жаропрочным материалом при резании, учитывающих
особенности изменения его механических свойств при стандартных испытаниях на растяжение с повышением температуры,
-выявление критериев подобия, характеризующих термомеханические процессы в зоне резания и позволяющих рассчитывать процессы косоугольного несвободного резания с условиями пластического деформирования, подобными условиям процессов прямоугольного резания, в зависимости от режимов резания, геометрии режущего инструмента и обрабатываемого материала,
-разработка моделей, алгоритмов и программного обеспечения для определения составляющих сил несвободного косоугольного резания при точении жаропрочных сплавов на основе термомеханического моделирования напряженно-деформированного состояния и температур в плоскости сдвига с учетом подобия процессов резания,
-разработка математической модели для определения интенсивности изнашивания инструмента на основе предложенной модели для расчета стойкости инструмента, устанавливающей ее зависимость от сил и температур, действующих на контактных поверхностях инструмента, заданных режимами резания и геометрией инструмента,
-создание многопараметровых измерительных средств, удовлетворяющих по своим динамическим и временным характеристикам физическим явлениям, происходящим в процессе резания жаропрочных сплавов и изнашивания режущего инструмента, дополняющих и подтверждающих результаты теоретического моделирования,
-разработка программно-информационного обеспечения для измерения и анализа физических параметров, определения эффективных режимов резания и стойкости режущего инструмента с возможностью учета характеристик средств технологического оснащения, качества обработанной поверхности и др
Методы исследований. В работе использовались основные положения механики и термомеханики и теплофизики резания, теории подо» бия и размерностей, теории обработки сигналов, применялись современные измерительные средства Обработка экспериментальных данных выполнялась с применением методов математической статистики Научная новизна работы заключается в
1 установленной количественной зависимости расчетной температуры контактных поверхностей режущего инструмента с фактическими значениями предела прочности жаропрочных титановых и никелевых сплавов от температуры их испытаний на растяжение,
2 установленных трех физических критериях подобия термомеханических процессов пластического деформирования при резании для расчета сил свободного и несвободного резания линейной или угловой интенсивности деформации в условной плоскости сдвига, скорости деформирования, отнесенной к скорости деформирования базового процесса, и температуры деформации, отнесенной к температуре плавления обрабатываемого материала,
3 выявленной экспериментальной зависимости стойкости режущего инструмента от действующих сил и температур на контактных поверхностях режущего инструмента при заданном критерии износа инструмента для пары «инструментальный — обрабатываемый материал»,
4 разработанных алгоритмах применения термосиловых моделей и многопараметровой системы измерения и обработки экспериментальных данных, реализованных в виде интегрированного программного обеспечения, являющегося основой специализированной информационно-технологической базы АСТПП
Практическая ценность работы заключается в 1 разработанных методиках и программах расчета температур в зоне резания и контактных поверхностях инструмента с учетом его износа при токарной обработке деталей из никелевых и титановых сплавов 2 разработанных методиках и программах для определения составляющих силы несвободного косоугольного резания острозаточен-ным и изношенным инструментом при продольном, торцевом и контурном точении и растачивании деталей из жаропрочных никелевых сплавов
3 разработанных алгоритмах формирования баз данных, содержащих параметры модели расчета напряжений, модели стойкости и интенсивности изнашивания режущего инструмента для пары «инс фу ментальный — обрабатываемый материал», значения критериев подобия для различных режимов прямоугольного резания
4 созданных и внедренных многопараметровых измерительных стендах, позволяющих получить оперативную и достоверную информацию о термосиловых и виброакустических параметрах процесса резания
5 разработанных технологических рекомендациях по выбору режимов резания, режущих инструментов, оснащенных твердосплавными и керамическими СМП и из инструментальных сталей, а также марок СОТС для различных условий обработки жаропрочных никелевых и титановых сплавов
Реализаций результатов работы. Работы выполняяись в МГТУ «СТАНКИН» по межотраслевой научно-технической программе МАП СССР и Минвуза РСФСР «Авиационная технология», целевым программам отраслевого научно-исследовательского института технологий и организации производства двигателей (НИИД), программе ИАЭ им И В Курчатова, МГТУ им Н Э Баумана и ММЗ «Салют» и планам НИР «ФГУП «ММПП «Салют»
Работа представлена в виде методического, программно- информационного обеспечения, технологических рекомендаций и аппаратных многофункциональных диагностических комплексов для оптимизаций условий резания и инструмента на «ФГУП ММПП «Салют», ФГУП ВНИИТС, ОАО НЙАТ, МГТУ «Станкин», ОАО АВТОВАЗ
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и научно-технических симпозиумах «Актуальные проблемы технологии современного машиностроения» (Москва, МГТУ им Баумана, 2000), «Актуальные проблемы машиностроения» (I Международная конференция, Владимир, 2001), «Динамика систем механизмов и машин» (IV Международная конференция, Омск, 2002), «Высокие технологии тенденции развития» (XIII Международная конференция, Алушта, 2003), «Резание и инструмент в технологических системах (Международная конференция, Харьков, 2003), «Качество поверхностного слоя деталей машин» (Международная конференция, Санкт-Петербург, 2003), «Двигатели и экология» (симпозиум, Москва, 2000 и 2002), «Актуальные проблемы Российской космонавтики» (XXXI чтения по космонавтике, Москва, 2007) и др
Публикации По теме диссертации опубликовано 144 печатные работы, получено 12 авторских свидетельства на изобретения
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, 142 рисунков, 16 таблиц, общих выводов и списка использованной литературы
Современное состояние и проблемы информационного технологического обеспечения АСТГШ
Стратегическим направлением модернизации предприятий авиационной промышленности России и мировых производителей авиационной техники, связанным с увеличением экспорта продукции и расширением рынка высоких технологий является развитие и внедрение CALS (Continuous Acquisition and Life-Cycle Support) - непрерывной информационной поддержки жизненного цикла изделия (ЖЦИ) [6].
Одной из первоочередных задач, которые должны решаться с использованием CALS-технологий, является обмен информацией на автоматизированных этапах конструирования, проектирования технологических процессов и технологической подготовки производства деталей на станках с ЧПУ. Это обусловлено большой долей себестоимости этих этапов в себестоимости разрабатываемого изделия. Действующая на российских машиностроительных предприятиях нормативно-техническая документация на процессы обработки резанием в значительной мере устарела и не отражает вопросов перехода на новые информационные технологии, не говоря уже о требованиях международных стандартов на представление информации.
Информационное обеспечение CALS базируется на реализованных и разрабатываемых информационных системах: САПР-К, САПР-Т, АСУТП, АСУ и других автоматизированных функциональных системах.
В авиационном двигателестроении для конструирования деталей, узлов и изделий (САПР-К) в формате 2D и 3D широкое распространение получили программные пакеты: AutoCAD, Unigraphics, Mechanics, ANSYS, Cumatron, SolidWoks и многие другие [33].
На этапе поставки изделий в производство применение CALS-технологий основывается на использовании оборудования с ЧПУ для формообразующих и контрольных операций. На этой стадии должны функционировать системы проектирования технологических процессов (САПР-Т), подготовки производства (АСТІТП) и другие автоматизированные системы. На рис. 1.9 представлен пример АСТПП [56]. Автоматизированное проектирование рабочего технологического процесса заключается в выборе из обобщенного процесса операций и переходов, необходимых для обеспечения требуемых свойств конкретной детали.
Современные АСТПП обладают свойством по мере внедрения и эксплуатации аккумулировать современные технологические знания и опыт передовых предприятий в базах данные (БД). БД содержат классификаторы, технологии-аналоги, стандарты, технологическое оборудование, оснастки, средств измерения, руководящие материалы, справочники, словари, нормативы на режимы резания и т. д. Вместе с тем, функции, связанные с назначением режимов резания для конкретной операции, решаются в САПР-Т, как правило, с помощью табличных значений режимов резания, полученных экспериментально при других условиях резания, не соответствующих конкретной операции. Поэтому возникает большое количество ошибок и исправлений, как непосредственно в производстве, так и при нормировании технологических операций, для предотвращения которых необходима отладка операций и уточнение режимов технологами цехов и операторами станков с ЧПУ.
Для информационного обеспечения автоматизированных технологических процессов требуется создание БД, содержащих технологическую информацию необходимую при обработке деталей из жаропрочных материалов на станках с ЧПУ.
Не вызывает технических сложностей создание БД на оборудование, станочные приспособления, стандартные инструменты и применяемые на предприятии СОТС. Более сложной задачей является создание БД на режимы резания в зависимости от геометрии обрабатываемых поверхностей, когда инструмент при обработке совершает по программе сложные кинематические движения по нескольким координатам. При токарной обработке деталей ГТД на станках с ЧПУ можно выделить схемы продольного, торцевого и контурного точения наружных и растачивание внутренних поверхностей детали.
Помимо назначения режимов обработки сложных по конфигурации деталей необходимо также определять с учетом применяемого инструмента, СОТС, оборудования, приспособлений, стойкость инструмента при конкретных условиях обработки.
Очевидно, что на стойкость режущего инструмента также будет влиять геометрия новых видов инструментов, оснащенных СМП, инструментальные материалы и упрочняющие покрытия. Таким образом, создание БД на режимы резания представляет собой весьма трудоемкую и материалоемкую задачу, если руководствоваться ранее известными методами построения эмпирических стойкостных зависимостей от режимов резания и других технологических условий .обработки.
Автоматизация всех этапов производственного цикла изделий ГТД, включая автоматизированное формирование БД на режимы резания, требует создания и развития научно-обоснованных инженерных методик по разработке новых критериев оценки работоспособности инструмента в зависимости от технологических условий его применения. Создание таких методик должно базироваться не только на измерениях термосиловых и виброакустических параметров, характеризующих процессы резания и состояния инструмента, но и на взаимосвязанным с ними теоретическом моделировании процесса резания. Такое функционирование позволит оперативно и объективно определять оптимальные условия резания жаропрочных сплавов, переносить выбранные условия на другие операции и формировать БД для информационного обеспечения автоматизированного производства.
Разработка математической модели и алгоритма расчета температуры на передней поверхности инструмента при точении никелевых сплавов
Таким образом, на температуру деформации при обработке жаропрочных сплавов влияют действительный предел прочности, передний угол У и критерий Ре (рис. 2.4а). При резании жаропрочных сплавов в зоне стружкообразова--ния возникают значительно более высокие температуры деформации, чем при резании сталей. Передний угол инструмента и критерий Ре оказывают на температуру деформации при резании никелевых сплавов большее влияние, чем при резании сталей. При обработке титановых сплавов влияние критерия Ре проявляется менее существенно. Это связано, в частности с тем, что обработка титановых сплавов, как правило, производится с более высокими значениями критерия Ре (примерно в 4 раза по сравнению с обработкой никелевых сплавов). Кроме того, элементный характер стружки, качественно учитывающийся уменьшением усадки стружки и средней величины интенсивности деформаций, снижают температуру деформации. В связи с этим средние температуры деформации при резании титановых сплавов, несмотря на их меньшую удельную объемную теплоемкость, сравнительно невелики (рис. 2.46). Расчеты по формулам (2.15, 2.19, 2.21) показывают, что все исследуемые обрабатываемые материалы (титановые сплавы, никелевые сплавы и стали) в процессе резания существенно упрочняются в сравнении с пределом текучести на сдвиг при растяжении, равным Sb/ v3 . деформации: а) при точении никелевого сплава ХН62МВТЮ-ВД, б) при точении титанового сплава ВТ9 резцом ВК8. s = 0,15 мм/об, t = 2 мм, (р=60 Приведенные данные (табл. 2) свидетельствуют о том, что предел текучести никелевых сплавов при резании (т = 1,43 Sh) значительно (примерно в 2,5 раза) выше, чем при растяжении (тт = 0,577 Sb).
При этом никелевый сплав упрочняется в процессе резания больше, чем сталь 45 (т « Sb), в то время как титановые сплавы упрочняются меньше, чем сталь 45. Таким образом, максимальные значения механических характеристик обрабатываемых материалов при резании значительно отличаются от соответствующих характеристик при растяжении. При этом установлено, что никелевые сплавы упрочняются при резании больше, чем стали, а титановые сплавы меньше. Температура передней поверхности режущего лезвия является результатом воздействия трех быстродвижушихся источников теплоты (рис. 2.5) - в условной плоскости сдвига Ф0 и на поверхности контакта инструмента со стружкой Ф] + Ф2. Поток Ф] действует на участке hj на линии среза, соответствующем высоте треугольной контактной пластической зоны деформации на передней поверхности, поток Ф2 действует на участке h2 задней поверхности застойной зоны, образовавшийся при заточке упрочняющей фаски на передней поверхности (если таковая имеется). Первый источник Ф0 можно разделить на два потока - уносимый стружкой Ф0 стр и поступающий в деталь Ф0д. Величина по тока в деталь сравнительно мала. Следовательно, проходя через зону стружко-образования, деформируемый материал будет нагреваться до температуры, которая в основном будет определяться удельной работой деформации и теплоемкостью. Источники Ф] + Ф2 также можно разделить на два потока - в деталь и в стружку. Температурное поле в стружке может быть рассчитано методом бы-стродвижущихся источников теплоты [72]. Необходимость расчета температурного поля в инструменте возникает нечасто, поскольку доля теплоты, отводимая из зоны резания режущим инструментом, уменьшается с увеличением отношения пути резания к длине площадки контакта инструмента со стружкой и деталью и при практически применяемых режимах резания составляет незначительную часть от потоков, поступающих в стружку и деталь. Для расчета температуры от источников Ф] + Ф2 целесообразно разбить длину контакта режущего инструмента на передней поверхности со стружкой на три участка (рис. 2.6): участок упрочнения материала или участок деформации (0, с), участок разупрочнения \с? с\) и участок упругого контакта fa, с2). Таким образом, для расчета приращения температуры на передней поверхности необходимо знать длины участков пластического и упругого контакта, длину участка упрочнения и значение предела текучести в конце этого участка, а также закон разупрочнения обрабатываемого материала, т.е. зависимость предела текучести от температуры.
Алгоритм расчета механических характеристик процесса свободного косоугольного резания
Прямоугольное резание редко встречается на практике. Почти все процессы резания являются косоугольными, т.е. режущая кромка инструмента наклонена к вектору относительной скорости между инструментом и заготовкой под углом /, не равным 90 (рис. 3.2). Для описания косоугольного резания можно воспользоваться видоизмененной механикой прямоугольного резания. Наиболее распространенным является резание двумя и более режущими кромки, однако на данной стадии развития теоретические разработки этого процесса не завершены.
Известно несколько опубликованных работ по механике косоугольного резания, основанных на модели с единственной плоскостью сдвига [1, 93, 106,124] и предлагающих сначала полностью разработать механику прямоугольного резания, а затем приложить эти разработки к косоугольному резанию. Следует отметить ряд трудностей применения данного подхода. Во-первых, разработка механики прямоугольного резания оказалась более сложным делом, чем это предполагалось. Еще не разработана модель ортогонального резания, которая полностью подтверждалась бы экспериментально. Во-вторых, геометрия косоугольного резания настолько сложна, что делает невозможным простое применение соотношений прямоугольного резания.
Ряд исследователей использовали для описания механики косоугольного резания модели с развитой зоной деформации, однако до настоящего времени эти теории разработаны неудовлетворительно. Одной из главных трудностей в этих исследований является построение трехмерного поля линий скольжения. Рассмотрим геометрию режущего клина и обрабатываемого материала.
Основная плоскость, проходящая через ось X(рис. 3.2), перпендикулярна скорости действительного главного движения. В случае, когда движение резания и подачи выполняются одновременно, действительное главное движение является их суммой. Если во время движения резания движение подачи не выполняется, то действительным движением является движение резания. Пренебрегая движением подачи, зачастую можно считать основную плоскость перпендикулярной плоскости резания.
Плоскость резания проходит через режущую кромку и скорость резания V (рис. 3.2). Если режущая кромка криволинейная, то плоскость резания касается режущей кромки в рассматриваемой точке. При свободном прямоугольном резании плоскость стружкообразования перпендикулярна режущей кромке и проходит через векторы скорости резания V и скорости стружки Vc.
Для несвободного прямоугольного резания принято считать, что плоскость стружкообразования также проходит через векторы скорости резания V и скорости стружки Vc. В этом случае стоит разделять понятия плоскости стружкообразования в точке режущей кромки для дифференциально малого участка режущей кромки и для всей стружки в целом. Если для малого участка режущей кромки резание считать свободным и прямоугольным, то плоскость стружкообразования в каждой точке режущей кромки перпендикулярна режущей кромке. Однако стружка движется в направлении скорости Vc, которое определяет положение плоскости стружкообразования для всей стружки в целом. При свободном косоугольном резании плоскость, перпендикулярная режущей кромке, не совпадает со скоростью резания. Вследствие этого направление схода стружки в целом отклоняется от нормали к проекции режущей кромки на основную плоскость. Можно принять, что в этом случае плоскость стружкообразования проходит через нормаль к режущей кромке в плоскости резания и вектор скорости стружки Vc в основной плоскости. Если углы наклона режущих кромок изменяются, то плоскость стружкообразования в целом может быть не перпендикулярна режущей кромке.
Последнее определение можно распространить и на косоугольное несвободное резание. Угол / между режущей кромкой и перпендикуляром к вектору скорости резания называется углом наклона режущей кромки. Угол между вектором скорости схода стружки и перпендикуляром к режущей кромке, лежащим на передней поверхности, называется углом схода стружки (7С ) Из механики прямоугольного резания следует, что передний угол инструмента является основной величиной, определяющей угол сдвига и силы резания. Одной из проблем при анализе косоугольного резания является подбор переднего угла, соответствующего переднему углу при прямоугольном резании. Передний угол при косоугольном резании, также как и при прямоугольном, за ключей между передней поверхностью инструмента и линией, перпендикулярной к вектору скорости резания.
Исследование интенсивности изнашивания режущего инструмента с применением метода акустической эмиссии
В настоящей работе интенсивность изнашивания оценивалась по еле-дующим признакам: по площади S мм , пропилу h3max мм, фаске износа h3 мм. В качестве критериев отказа использовались по два значения максимального износа для каждого признака: h3maxi=0.5 мм и Пзиахг О-В мм, h3i=0.25 мм и Заготовка обрабатывалась с двух сторон до середины с переустановом. Начальный диаметр заготовки 90 мм, конечный диаметр заготовки 36 мм. Длина заготовки 300 мм. Режимы резания: глубина резания t=l мм, подача 8=0.1 мм/об. В качестве обрабатываемого материала использовались сплавы ХН73МБТЮ и ВТ-9. Использовались инструменты, оснащенные твердосплавными СМП из IC907 фирмы Iscar формы DNMG 150608F (DNMG 442F), а также СМП CNMG 120408 из отечественного сплава ВКЮ-ХОМ. Геометрия испытанных пластин представлена в табл. 5,1. Рассмотрим эксперименты по обработке точением сплава ХН73МБТГО инструментом с СМП от фирмы Iscar, Исследования проводились на следующих скоростях резания; =14, 20, 26, 38, 50 м/ мин. В качестве СОЖ использовалась ЭГТ. Результаты измерений износа в зависимости от времени резания представлены на рис, 5.3 и 5.4. Из этих графиков видно, что инструмент имеет явную область приработки. Результаты измерений износа от пути резания L демонстрируют такой же характер. Если построить графики изменения стойкости инструмента по времени и по пути резания при увеличении скорости резания (рис. 5.5), видно, что для всех выбранных показателей износа h3max, h3 и S так называемая оптимальная скорость резания, при которой стойкость по времени и по пути максимальны, находится в районе 20 м/мин. Из анализа измерения шероховатости обработанной поверхности можно сделать вывод, что минимальная шероховатость получается при оптимальной скорости резания, что совпадает с результатами исследований Макарова и др. авторов.
Интенсивность изнашивания по времени I, определим по формуле: Интенсивность изнашивания по пути резания II определим по формуле: Приведем для удобства использования интенсивность изнашивания к безразмерному виду, разделив каждое значение интенсивности на ее минимальное значение, соответствующее оптимальной скорости V=20 м/мин. На рис. 5.6 представлены графики приведенной интенсивности изнашивания по пути и по времени в зависимости от скорости резания. Исключим из рассмотрения область приработки и катастрофического износа инструмента и будем в дальнейшем рассматривать только область нормального изнашивания, аппроксимировав ее прямой линией. Правомерность такого исключения доказывают проведенные расчеты. Отмечено расхождение лишь около 10% при сравнении интенсивности износа, рассчитанной по фактически измеренным значениям и при отбрасывании зон приработки и катастрофического изнашивания при аппроксимации участка нормального изнашивания прямой линией. Будем использовать эти графики в дальнейшем для определения параметра акустической эмиссии, наиболее точно характеризующего интенсивность изнашивания. Испытания по точно такой же схеме проводились для случая точения того же самого сплава ХН73МБТЮ режущим инструментом, оснащенным СМП формы CNMG 120408 из отечественного сплава ВКЮ-ХОМ. Режимы обработки: скорость V=16, 21, 25, 30 м/мин; в качестве СОЖ использовалась СТ21. Результаты измерений износа представлены на рис. 5.7 и 5.8. На этих графиках в отличие от точения инструментом фирмы Iscar не видна явная область приработки СМП. Если построить графики изменения стойкости инструмента по времени и по пути резания при увеличении скорости резания (рис. 5.9), видно, что для всех выбранных показателей износа h3max, h3 и S так называемая оптимальная скорость резания, при которой стойкость по времени и по пути максимальны, находится в районе 20 м/мин. Исключим из рассмотрения область приработки и катастрофического износа инструмента и будем в дальнейшем рассматривать только область нормального изнашивания, аппроксимировав ее прямой линией. Правомерность такого исключения доказывают проведенные расчеты. Отмечено расхождение лишь около 10% при сравнении интенсивности износа, рассчитанной по фактически изхмеренным значениям и при отбрасывании зон приработки и катастрофического изнашивания при аппроксимации участка нормального изнашивания прямой линией. На рис. 5.10 представлены графики приведенной интенсивности изнашивания по пути и по времени в зависимости от скорости резания. Третья группа экспериментов была проведена при обработке точением титанового сплава ВТ-9. Точение проводилось твердосплавными СМП фирмы Iscar формы DNMG 150608F (DNMG 442F) из сплава IC907. Скорость резания V=30, 40, 45, 50, 55, 60, 70 м/мин; в качестве СОЖ ЭГТ.
Похожие диссертации на Разработка методов и средств эффективного выбора режимов резания труднообрабатываемых материалов на основе термосиловых характеристик процессов
