Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Аналитический обзор состояния исследований процесса формирования шероховатости поверхностей при обработке резанием 7
1.1 Технологическое обеспечение параметров шероховатости поверхностности при обработке резанием 7
1.2 Постановка задач исследований 19
Глава 2 Методики исследований 21
2.1 Общая методика проведения исследований 21
2.2 Оборудование и методики, применяемые для измерения и анализа шероховатости обработанных поверхностей 21
2.3 Основные положения логистического анализа 31
2.4 Выводы 35
Глава 3 Выбор, обоснование и описание математической модели процесса формирования шероховатости при резании металлов 37
3.1 Концептуальная модель процесса формирования шероховатости 37
3.2 Составление уравнений математической модели процесса формирования шероховатости 44
3.3 Параметрическое описание математической модели процесса формирования шероховатости поверхности 50
3.4 Выводы 59
Глава 4 Исследование процесса формирования шероховатости на базе модели 61
4.1 Уточнение параметрического описания разработанной модели 62
4.2 Исследование причинно-следственных связей процесса формирования шероховатости 69
4.3 Выводы 82
Общие выводы 83
Литература 87
Приложения 95
- Технологическое обеспечение параметров шероховатости поверхностности при обработке резанием
- Оборудование и методики, применяемые для измерения и анализа шероховатости обработанных поверхностей
- Составление уравнений математической модели процесса формирования шероховатости
- Исследование причинно-следственных связей процесса формирования шероховатости
Введение к работе
В задаче управления качеством поверхностного слоя деталей машин при обработке резанием актуальным направлением является разработка моделей, адекватно отражающих процесс достижения необходимого уровня шероховатости и позволяющих управлять им. Однако моделирование процессов формо-, размерообразования и срезания припуска при резании, как информационных процессов взаимодействия образующейся поверхности Ан, производящей поверхности Ано и поверхностей резания АаУ, не позволяет с необходимой точностью прогнозировать и управлять шероховатостью, так как оценивает лишь одну расчетную составляющую шероховатости - геометрико-кинематическую. На формирование шероховатости и состояние поверхностного слоя накладывается и результат кинематического и силового последействия превращения срезаемого припуска в стружку, который приводит к образованию вторичной переходной пластически деформированной зоны (так называемой вторичной зоны пластического контакта, застойной зоны, нароста и т.д.). Являясь важнейшей интегративной характеристикой процесса резания, вторая составляющая значительно труднее подвергается формализации и моделированию. Но именно она при чистовой и получистовой обработке является превалирующей, и именно она является ограничением достижения шероховатостей меньших 0,5 ... 0,8 мкм при обработке резанием.
В ранее выполненных работах исследовались лишь отдельные аспекты влияния условий работы системы резания на формирование шероховатости поверхности. Они позволяли решать ограниченный круг технологических задач, не раскрывая общих тенденций управления шероховатостью и возможностей улучшения качества обработанной поверхности.
На сегодняшний день необходимо моделирование процесса формирования шероховатости в широком диапазоне изменения условий
5 обработки, как инструмента управления процессами формирования шероховатости. Важно, чтобы математическая модель не только численно описывала величину шероховатости, но и раскрывала закономерности ее формирования.
В первой главе на выполнен аналитический обзор состояния исследований процесса формирования шероховатости поверхностей при обработке резанием. Опираясь на анализ ранее выполненных исследований по технологическому обеспечению параметров шероховатости поверхностности при лезвийной обработке, сформулирован круг задач настоящей диссертационной работы.
Во второй главе рассмотрена методика выполнения работы. Измерение и анализ шероховатости обработанной поверхности выполнено на разработанном стенде, состоящим из профилографа-профилометра мод. 252 (ОАО «Завод Калибр») и персонального компьютера, со встроенной платой аналогового и цифрового ввода/вывода ЛА-70М4 (ЗАО «Руднев-Шиляев»), Обработке и анализ профиля ведется программными средствами, созданными в среде Lab VIEW 61 (National Instruments Corporation). Рассмотрены основные положения логистического анализа, применяемого к исследованию зависимости шероховатости от скорости резания и разработке математической модели.
В третьей главе выполнены следующие этапы математического моделирования процесса формирования шероховатости:
разработка концептуальной модели — определение закономерностей процесса формирования шероховатости, выявление факторов, оказывающих определяющее влияние на шероховатость и позволяющих управлять ею;
составление уравнений модели;
параметрическое описание математической модели процесса формирования шероховатости для сталей 45 и 12Х18Н10Т, как основных представителей углеродистых и легированных сталей и коррозионно-стойких сталей.
В четвертой главе приводятся экспериментальные данные, воспроизводящие полученную модель формирования шероховатости. Выполнено уточнение модели на основе новых экспериментальных данных. Исследован процесс формирования шероховатости при помощи, полученной математической модели, с использованием спектрального и корреляционного анализа. Описано применение модели для расчета шероховатости при проектировании чистовых и получистовых операций технологических процессов обработки резанием
Научная новизна работы:
1. Разработана математическая модель процесса формирования
шероховатости при обработке металлов резанием для основных
представителей конструкционных материалов на базе экстремальной
зависимости шероховатости (параметр Ra) от скорости резания при пшроком
изменении условий реализации (подача, внешние среды, инструментальные
материалы и т.д.)
2. Установлено наличие коридора значений шероховатости верхняя и
нижняя граница, которого практически не зависят от скорости резания,
свойств обрабатываемого и инструментального материалов. Увеличение
активности внешней среды приводит к некоторому снижению уровня верхней
границы, оставляя неизменной нижнюю границу. Нижняя и верхняя границы
коридора являются результатом отображения, приобретаемой в процессе
взаимодействия, равновесной шероховатости трибоконтактов.
Технологическое обеспечение параметров шероховатости поверхностности при обработке резанием
Первыми основополагающими работами по всестороннему изучению влияния элементов режима резания, свойств обрабатываемого и инструментального материалов, процессов пластического деформирования на шероховатость поверхности были работы И. М. Беспрозванного, П. Е. Дьяченко и А. И. Исаева [4, 18-20]. В них впервые с достаточной полнотой были рассмотрены такие вопросы, как влияние упругой и пластической деформации, геометрии формообразующей части инструментов и шероховатости его кромок, износа инструмента, жесткости используемого оборудования на шероховатость обработанной поверхности. Исходя из требуемого уровня шероховатости обработанной поверхности, на основании определения зависимостей шероховатости поверхности от площади поперечного сечения срезаемого слоя и скорости деформирования обрабатываемого материала были разработаны методики и таблицы для выбора режима резания. Работы [4,18,20] были посвящены образованию шероховатости в основном при токарной обработке. В работе [19] было исследовано образование поверхности при различных видах лезвийной обработки: фрезеровании, сверлении и зенкерований, развертывании, протягивании и др. Было установлено, что от скорости резания и подачи инструмента зависит не только уровень шероховатости, но и соотношение между случайной и детерминированной составляющими. Показано, что влияние скорости резания на шероховатость тесно связано с пластическим деформированием обрабатываемого материала и образованием нароста. Процессы наростообразования приводят к увеличению как случайной, так и детерминированной составляющих, в результате чего зависимость шероховатости от скорости резания имеет «колоколообразный» характер, с экстремумом при скоростях резания, соответствующих максимальному наростообразованию [18]. «Отсутствие» нароста при низких и высоких скоростях приводит к понижению шероховатости поверхности вплоть до величины, определяемой соотношением геометрии формообразующей части инструмента и подачи. При черновых подачах уровень детерминированной составляющей является преобладающим в микропрофиле и значение шероховатости совпадает с расчетным, а уменьшение подачи изменяет соотношение детерминированной и случайной составляющих на обратное значение шероховатости превосходит расчетную величину.
Несмотря на важность проведенных исследований и обобщение полученных результатов ряд вопросов в работах [18, 19] остался невыясненным. Анализируя поведение зависимости шероховатости поверхности от скорости резания, авторы объясняли уменьшение шероховатости при снижении скорости резания лишь уменьшением величины нароста на инструменте, определяемого путем мгновенной остановки резания и анализом или величины и размеров нароста, оставшегося на поверхностях режущего инструмента, или корня стружки на участке обработанной поверхности. В результате такого подхода было установлено, что при скоростях резания V = 0,01 ... 0,06 м/с нарост полностью исчезает, а между инструментом, стружкой и обработанной поверхностью имеет место граничное трение, что приводит к приближению зависимости шероховатости от скорости резания к асимптоте, величина которой будет складываться из расчетного уровня и высоты неровностей, формируемых за счет упругого восстановления металла после прохода режущего инструмента. Более поздние исследования [20] показали, что приращение высоты неровностей за счет упругого восстановления поверхности среза по сравнению с расчетным значением является очень незначительным: при обработке алюминия это отношение составляет 1,6 ... 3%, а при обработке стали 35ХГС — 3 ... 12% [20]. Данные ряда исследований показывают, что при обработке на малых подачах шероховатость значительно превосходит расчетную (более чем 3 ... 5 раз), что не может быть следствием действия только упругой деформации. Последующие исследования показали, что методический подход к определению нароста путем мгновенной остановки резания не всегда дает объективную оценку определения области существования нароста, особенно при низких скоростях резания, где границы распространения нароста лежат гораздо ниже по скорости резания, чем предполагалось. Недостаточно полно в работах [4, 18-20] было исследовано влияние смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС) на процессы образования шероховатости обработанных поверхностей. Тем не менее, эти работы явились основанием для дальнейших теоретических и экспериментальных разработок по обеспечению качества поверхностного слоя при обработке резанием.
Оборудование и методики, применяемые для измерения и анализа шероховатости обработанных поверхностей
Оценка шероховатости обработанной поверхности производилась на стенде для измерения, обработки и анализа шероховатости обработанной поверхности. В состав стенда входят: профилограф-профилометр 252; шина данных; персональный компьютер со встроенной платой аналогового и цифрового ввода/вывода ЛА-70М4 (ЗАО «Руднев-Шиляев»). Плата предназначена для сбора данных и рассчитана на использование с компьютерами ЮМ PC/XT/AT. Она обеспечивает ввод и вывод 16 цифровых и ввод и вывод в компьютер 16 аналоговых сигналов, преобразованных в цифровую форму.
Аналоговый сигнал профиля от профилографа-профилометра (разъем Х39, расположенный на задней стенке измерительного блока) по шине данных поступает на вход платы АЦП (внешний разъем аналогово-цифрового канала ХР2) , где преобразуется в цифровую форму. Дальнейшая обработка сигнала профиля ведется программными средствами, созданными в среде Lab VIEW 6i (National Instruments Corporation).
LabVIEW — интегрированная среда разработчика для создания интерактивных программ сбора, обработки данных и управления периферийными устройствами. Программирование осуществляется на уровне функциональных блок-диаграмм. Сочетание графического языка программирования и современного компилятора позволяет значительно сократить время разработки сложных систем при сохранении высокой скорости выполнения программ. Библиотеки современных алгоритмов обработки и анализа данных превращают LabVIEW в универсальный инструмент создания интегрированных систем на базе IBM PC совместимых компьютеров, Macintosh, рабочих станций SUN SparcStation и Hewlett Packard.
В LabVIEW вместо написания программы создаются виртуальные приборы. Легко создаваемая лицевая панель пользовательского интерфейса позволяет интерактивно управлять созданной программной системой. Для описания функционирования системы создается блок-диаграмма - привычный элемент для любой технической разработки, но в LabVIEW блок-диаграмма является, кроме всего, исходным кодом создаваемой программы. Таким образом, решается задача трансформация идеи разработчика в код программы, требующая немало времени и усилий при обычном подходе [68]. Программное обеспечение представлено в виде блока виртуальных приборов, направленных на решение следующих задач: - обработка профиля поверхности: калибровка, удаление линейного тренда, отсечка шага, сглаживание; - расчет параметра Ra ГОСТ 25142-82 «Шероховатость поверхности. Термины и определения»; - исследование профиля поверхности: фильтрация, анализ амплитудно-частотного спектра и корреляционной функции профиля поверхности.
Панель виртуального прибора представляет собой блок входных данных, необходимых для обработки профиля: - путь файла профиля; - базовая длина профиля, мм; - размер массива данных профиля; - количество профилей. Состав блок-диаграммы виртуального прибора: 1. Считывание данных из файла профиля (расширение .txt), начиная с начального дискретного значения профиля, и преобразование данных в двумерный массив чисел одинарной точности (функция «Read From Spreadsheet File»); преобразование массива данных при помощи функции «Transpose 2D Array» и задание размера массива данных профиля(функция «Reshape Array»), с удалением длины участка предварительного хода датчика (функция «Split ID Array»). 2. Вычитание тренда, подобранного процедурой простой регрессии (функция «Linear Fit») для нивелирования нестационарности профиля [30]. Обработка профиля поверхности файл профиля % mJ Коэффициент перевода амплитуды в микрометры и шаг дискретизации по длине Л/ в миллиметрах были установлены при помощи эталонных образцов завода Калибр (№Б-42). 4. Сглаживание (удаление высоких частот) при помощи фильтра нижних частот «FIR Windowed Filter». 5. Отсечка шага, то есть удаление из рассмотрения составляющих с длиной волны больше базовой, согласно ГОСТ 27964— 88 «Измерение параметров шероховатости». Отсечка шага выполнена при помощи фильтра Баттерворта верхних частот (функция «Butterworth Filter»), Этот тип фильтра выбран, поскольку он имеет максимально плоскую АЧХ, умеренную фазовую нелинейность, приемлемую переходную характеристику и достаточно крутой спад АЧХ вне полосы пропускания [16,29]. 6. Запись обработанного профиля в файл с расширением .txt (функция «Write То Spreadsheet File»).
Составление уравнений математической модели процесса формирования шероховатости
В обоих математических представлениях модели Ra-V значения параметров аь b\ a-i, Ъг и Ум объясняются одинаково. Параметры а\9 Ь\ представляют собой минимально возможное значение шероховатости при малых и высоких скоростях резания. Параметры а Ьг. это расстояние в между минимально возможным и максимальным уровнями шероховатости левой и правой ветвей зависимости шероховатости от скорости резания. Значение максимально возможного уровня шероховатости является гипотетическим и численно он либо равен Ra g, либо меньше его. Ум представляет собой скорость, при которой достигается максимальное значение шероховатости, в этой точке пересекаются логистические зависимости (возрастающая и убывающая).
При тестировании математических представлений модели зависимости Ra-V использовались экспериментальные данные по обработке основных представителей углеродистых и легированных сталей и коррозионно-стойких сталей (стали 45 и 12Х18Н10Т), представленные в работах [49, 54]. Условия осуществления резания: 5=0.075 мм/об; /=0,5 мм; гв=0,8 мм; ф =45; ф!=15; у=0; а=6. Результаты проведенного предварительного нелинейного регрессионного анализа были опубликованы в работе [56]. Оба математических представления показали адекватность экспериментальным данным. Значения коэффициентов детерминации составили 0,9 ...0,99. Стандартные ошибки оценивания расчетных значений также не различались и лежали в пределах от 0,08 до 0,2. К недостаткам 1-го математического представления можно отнести: 1. невозможность определения начальных значений параметров щ, Ъ% и 2. коэффициент аз представляет собой очень малую величину — от 1 х 10"1 до 1х10"14, а коэффициент 63 - очень большую величину - от 1x10і до 1х1010. Подобные значения параметров затрудняют дальнейшее использование модели. Дз, 6з ЧІ Храф 2 2-«ife)U #4, а !Ф )граф2 2- "AW - значения параметров аг , 3 и а » 64 , определенные из графического анализа экспериментальных данных (если границы оказываются слишком ограничительными, можно изменить их расширить, разделив и умножив нижнюю и верхнюю границы на число большее 2) 3.3 Параметрическое описание математической модели процесса формирования шероховатости поверхности
Математическая модель (3.7) содержит 8 параметров я,умдз,4)и «г»=і,2,з,4), зависящие от конкретных условий обработки. Для описания их были использованы данные работ [49, 54]. Первоначально, была выполнена следующая последовательность действий. Зависимость шероховатости от скорости резания была разделена на левую и правую ветви (до и после Ум). Логистический анализ левых и правых ветвей по отдельности выявил хорошее соответствие логистик экспериментальным данным. Из 85 исследуемых зависимостей лишь 4 не удалось описать при помощи логистики. Результаты этого анализа приведены в приложении 1. Важно отметить, что величины коэффициента детерминации были не ниже 0,9, что говорит о хорошем соответствии модели экспериментальным данным. Это позволило сделать вывод, что предложенное в предыдущей главе описание зависимости шероховатости от скорости резания с использованием логистических зависимостей правомерно.
Полученные данные были использованы для назначения начальных значений параметров при проведении логистического анализа зависимости Raff на всем диапазоне скоростей резания с совместным использованием двух логистик — уравнение (3.7). Параметры модели, полученные на этом этапе при проведении логистического анализа, представлены в табл. 3.3. Графики зависимостей, рассчитанных по модели (3.7), показаны на рисунке 3.7. Важно отметить, что показатели адекватности расчетных данных экспериментальным на этом этапе построения модели оказались еще более высокими: коэффициент детерминации R изменялся от 0,97 до 0,99, а стандартная ошибка расчета не превышала 0,19.
Исследование причинно-следственных связей процесса формирования шероховатости
Разработанная математическая модель описывает коридор значений шероховатости на всем диапазоне скоростей, нижней границей которого являются параметры модели: а\ и Ь\. Содержательно а\УіЬ\ — это ограничение возможностей достижения средствами процесса резания необходимого уровня шероховатости, все более и более ужесточаемого запросами технологии. Численное равенство этих параметров дает, в первом приближении, основание считать одинаковыми механизмы процесса формирования шероховатости при малых и высоких скоростях. Важно отметить, что диапазон скоростей, соответствующих достижению уровней а\ и Ьи составляет более 3 порядков (0,005 ... 15 м/с). Верхняя граница коридора значений шероховатости щ+аг и 1+ 2 определяет предельное развитие очага деформации и как следствие максимально возможную шероховатость. Эта граница (предельное развитие очага деформации) за исключением условий резания в вакууме предсказывается моделью с тенденцией уменьшения уровня при использовании СОЖ. Здесь также сумма щ+аг практически равна bx+b2.
Сравнительный анализ амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) профилей при различных скоростях резания и подачах позволяет обсуждать и оценивать механизмы формирования шероховатости. АЧХ профилей исследованы в следующих зонах скоростей: - малых скоростей (уровень шероховатости соответствует параметру а\ модели); - наростообразования (уровень шероховатости характеризуется точкой пересечения левой и правой логистик, составляющих модель); высоких скоростей (уровень шероховатости характеризуется параметром Ъ\ модели).
В зоне наростообразования наблюдается расширение полосы случайного шума от частоты, обратной периоду базовой длины (отсечка шага) до частоты, обратной периоду подачи. Такая же картина, с меньшим масштабом, наблюдается и в зоне малых скоростей при обработке на воздухе (см. рис. 4.4). Это отражается в увеличении параметра модели аі для резания на воздухе по сравнению с параметром b i.
Несколько другая картина наблюдается при точении стали 12Х18Н10Т (рис. 4.5). Влияние продольного профиля на поперечный в данном случае значительно выше, чем у стали 45. Вероятно, это связано с особыми деформационными свойствами стали 12Х18Н10Т. На АЧХ профиля это отражается в присутствии длинноволнового случайного процесса (длина волны 0,1 ... 0,8 мм) на всем диапазоне скоростей, отличающегося лишь масштабным фактором. Следует отметить, что для стали 12X18Н1 ОТ также характерно сходство АЧХ профилей при малых и высоких скоростях.
Таким образом, предсказанная математической моделью, тождественность механизмов формирования шероховатости при высоких и малых скоростях подтверждается спектральным анализом.
Влияние подачи на зависимость шероховатости от скорости резания также было исследовано для указанных выше зон скоростей с использованием спектрального и корреляционного анализа профилей до и после фильтрации периодической компоненты (период равен подаче).
Продолжение рисунка 4.6 Важно отметить, что коррелограммы профиля при высоких и малых скоростях резания для стали 45, схожи с коррелограммами узкополосного случайного процесса [3]. Сопоставление значение Ra до и после фильтрации компоненты с периодом равным подаче выявил незначительность вклада кинематики процесса обработки и формы вершины инструмента (детерминированная периодическая компонента [32, 72]) в общую картину формирования шероховатости при обработке с малыми подачами (табл. 4.4).
