Введение к работе
Актуальность проблемы. Обработка заготовок резанием лезвийным инструментом является одним из основных методов формообразования изделий в машиностроении. Повышение эффективности процесса резания, особенно при обработке коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов, в современном машиностроительном производстве обуславливает необходимость широкого использования высокопроизводительного оборудования, позволяющего автоматизировать процессы механической обработки. Для успешного решения задач повышения эффективности механической обработки необходимо исследование динамических свойств технологической системы «станок - приспособление - инструмент -заготовка», основанное на формировании новых подходов к изучению и использованию явлений, сопровождающих процесс резания металлов.
В настоящее время исследование процесса резания осуществляется при установившихся (квазистатических) режимах. При этом не учитываются упругопластические свойства металла срезаемого слоя как в зоне пластической деформации, так и в зоне контактного взаимодействия сходящей стружки с передней поверхностью инструмента, которые определяют характер образующейся при резании стружки и оказывают доминирующее влияние на состояние динамической упругой системы станка и развитие автоколебательных процессов. В аналитическом плане рассмотрены либо условия равновесия режущего клина, либо в качественном плане исследуются локальные процессы, связанные со стружкообразованием. Предложенные зависимости, характеризующие процесс резания, как правило, являются эмпирическими, а влияние многих факторов осуществляется введением поправочных коэффициентов. Применение этих коэффициентов не способствует повышению достоверности получаемых результатов.
В теории пластичности также применяется ряд допущений, таких как: использование моделей идеальной пластичности, схем жесткопластических и упрочняющих пластических сред, но при непременном выполнении условий сплошности. Непосредственно применить эти результаты к анализу процесса стружкообразования достаточно сложно.
Анализ обозначенных выше проблем позволяет выделить в качестве объекта исследования актуальную проблему стружкообразования в динамике процесса резания, решение которой
оказывает существенное влияние на состояние динамической системы станка и ее характеристики.
Важность указанной проблемы привела к необходимости проведения работ в рамках ряда научно-технических программ: «Гибкие автоматизированные производства», МНТК «Надежность машин» и др. Актуальность проблемы подтверждена присуждением персональных грантов (1996, 1998 гг).
Цель работы. Целью работы является повышение производительности станков с ЧПУ на основе динамического моделирования технологической системы с учетом процессов в зоне стружкообразования при лезвийной обработке. Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:
Выполнение многоплановых исследований динамических характеристик технологических систем механической обработки резанием лезвийным инструментом с учетом локальных процессов стружкообразования и колебаний в контурах замкнутой системы на базе ранее предложенных динамических моделей.
Анализ и обоснование выбранных теоретических предпосылок отображения процессов пластического деформирования и разрушения металла в срезаемом слое при стружкообразовании в условиях обработки лезвийным инструментом.
Моделирование процесса стружкообразования в зоне активного пластического деформирования обрабатываемого материала с учетом чередования фаз, необходимых для адекватного отображения динамических процессов в технологической системе механической обработки.
Разработка программно-аппаратного комплекса для решения задач динамики технологической системы с определением границы области устойчивости в пространстве параметров системы и обоснование рациональных режимов лезвийной обработки.
Исследование влияния изменения параметров на положение границы области устойчивости технологической системы. Построение на основе результатов исследования предельных положений границы области устойчивости при заданных диапазонах изменения существенных параметров системы. Определение вероятностных характеристик смещения границы области устойчивости системы, исходя из допустимой степени риска.
Выполнение комплекса экспериментальных исследований с целью подтверждения правомерности полученных теоретических положений
и разработка рекомендаций по повышению производительности механической обработки для применения их в условиях современного производства.
Методы исследования. Методика выполнения многопланового исследования по теме диссертации включает:
Разработку модели технологической системы при механической обработке заготовок в качестве основы для проведения комплекса исследований.
Моделирование и исследование процесса стружкообразования с использованием современных вычислительных средств, которые проводились в лаборатории «Динамика и моделирование технологических систем» СПбИМаш (ВТУЗ-ЛМЗ).
Использование современных аналитических и численно-аналитических методов при анализе динамических процессов, в том числе метода исследования кусочно-линейных систем, метода конечных элементов и др. методов прикладной теории колебаний, теории упругости, теории автоматического управления.
Экспериментальные исследования на специальных стендах с применением оригинальных методик, современной аппаратуры, измерительных преобразователей и систем.
Научная новизна полученных в работе результатов заключается в следующем:
Разработана динамическая модель технологической системы механической обработки с учетом особенностей процесса стружкообразования в зоне активного пластического деформирования и с учетом чередования фаз скольжения и схватывания в качестве основы для проведения комплекса исследований с целью повышения эффективности механической обработки.
Выполнено построение динамической модели системы малой размерности, включающей две доминирующие подсистемы «заготовка» и «инструмент», которая отражает инерционные и упруго-диссипативные свойства глобальной модели и является оптимальной относительно обоснованного критерия близости для анализа влияния процесса стружкообразования на поведение технологической системы механической обработки.
Исследована чувствительность предельно допустимой по критерию устойчивости системы ширины срезаемого слоя к изменению существенных параметров. Установлено, что чувствительность к
изменениям параметра демпфирования в нормальном контуре является более высокой, чем к изменениям параметров запаздывания сил резания и трения. Предложен путь уточнения оценок поля рассеивания ширины срезаемого слоя за счет вероятностного подхода.
Автор защищает:
результаты анализа моделей, отображающих процессы пластической деформации и разрушения металла в срезаемом слое в процессе стружкообразования лезвийным инструментом;
динамическую модель технологической системы механической обработки с учетом особенностей процесса стружкообразования в качестве основы для проведения комплекса исследований с целью повышения эффективности механической обработки;
математическую модель, описывающую динамические процессы в технологической системе механической обработки при контактном взаимодействии инструмента с заготовкой и позволяющую рассмотреть последовательность фазовых переходов по условиям пластического деформирования, чередования процессов скольжения и схватывания, последовательность которых определяется динамическими свойствами системы;
результаты исследования чувствительности предельно допустимой ширины срезаемого слоя к изменению существенных параметров по критерию устойчивости системы.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
определяется физической и математической корректностью постановки задач и использованных в работе методов их решения, адекватностью теоретических моделей экспериментально наблюдаемым закономерностям, высокой сходимостью расчетных и экспериментальных данных, положительным опытом использования ряда разработок в производственных условиях.
Практическая ценность результатов, полученных в работе, заключается в следующем: - разработано эсрфективное программно-методическое обеспечение при решении на ПЭВМ задач динамики технологических систем механической обработки, позволяющее осуществлять получение и исследование требуемых динамических характеристик системы, определение границы области устойчивости системы в пространстве параметров, определение уровня и частот автоколебаний;
- предложен программно-методический комплекс, позволяющий рассчитывать основные параметры для выявления резерва по устойчивости технологической системы при лезвийной обработке материала с учетом особенностей процесса стружкообразования по сравнению с существующими методиками.
Реализация в промышленности. Результаты выполненных исследований и соответствующие рекомендации нашли практическое применение на предприятиях Санкт-Петербурга (АО «Ленинградский металлический завод», АО «Электросила», и др.).
Апробация. Основные положения работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на Всесоюзных и Всероссийских научно-технических конференциях и семинарах: Рыбинск (1999г.), на МНТК «Сварка, Электротермия, механообработка-99», на научно-методических семинарах СпбИМаша (1996-1999гг.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 158 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, список литературы, включающий 118 наименований, и приложения.