Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ литературных данных, постановка целей и задач исследования .
Глава 2. Методика экспериментальных исследований 30
2.1 Используемые материалы и методы обработки 30
2.2 Методика измерения ТД и размерного износа инструмента 31
2.3 Используемые методы статистической обработки данных 37
2.4 Основы метода нейросетевого программирования 39
Глава 3. Исследование влияния условий резания на тепловые деформации инструмента и заготовки 43
3.1. Исследование ТД инструмента 43
3.1.1 Влияние режимов резания при различных условиях обработки на ТД инструмента 43
3.1.1.1 Влияния скорости резания v на ТД инструмента 43
3.1.1.2 Влияния подачи s на ТД инструмента 54
3.1.1.3 Влияние глубины резания / на ТД инструмента 61
3.1.2 Влияние СОТС и предварительного упрочнения инструмента 63
3.1.3 Влияние степени износа инструмента на ТД 66
3.1.4 Влияние твердости обрабатываемого материала на ТД инструмента 68
3.1.5 Влияние геометрических параметров инструмента на его ТД 70
3.2 Исследование ТД заготовки 73
3.3. Влияние коэффициентов теплопроводности материалов заготовки и инструмента на их ТД 76
3.4. Выводы: 78
Глава 4. Анализ влияния ТД инструмента и заготовки на точность обработки 80
4.1. Анализ степени влияния ТД на точность обработки в зависимости от условий резания 80
4.2. Разработка способов уменьшения влияния ТД на точность обработки 86
4.3 Выводы: 90
Глава 5. Прогнозирование возникающих элементарных погрешностей обработки 92
Общие выводы и результаты исследований 100
Литература 102
Приложения 110
- Анализ литературных данных, постановка целей и задач исследования
- Методика измерения ТД и размерного износа инструмента
- Влияние режимов резания при различных условиях обработки на ТД инструмента
- Разработка способов уменьшения влияния ТД на точность обработки
Введение к работе
По мере развития науки и техники конструктивно совершенствуются машины и приборы, повышаются требования к долговечности и надежности узлов и их деталей. В связи с этим постоянно растут и требования, предъявляемые к точности изготовления и качеству поверхностей деталей.
При этом достижение высоких квалитетов точности невозможно без использования различных методов размерной обработки заготовок. Среди них наибольшую долю занимают методы лезвийной механической обработки, причем такое положение по оценкам экспертов, будет сохраняться и в будущем. Точность же обработки данными методами во многих случаях не удовлетворяет предъявленным высоким требованиям, что приводит к необходимости включения в технологический процесс дополнительных, более дорогостоящих, но обеспечивающих требуемую точность методов финишной обработки. Обеспечение как можно более высокой точности, на предварительных операциях лезвийной обработки без значительных финансовых затрат, может серьезно снизить общую стоимость обработки за счет снижения трудовых затрат на последующих финишных операциях. Поэтому повышение точности существующих методов лезвийной обработки является актуальной задачей.
В то же время резервы повышения технологической точности методов лезвийной обработки практически исчерпаны и на первый план выходят менее значительные составляющие общей погрешности обработки, устранением которых можно добиться повышения точности. Одной из таких составляющих является погрешность, связанная с температурными деформациями (ТД) инструмента и заготовки, доля которой, в общей погрешности обработки, по мере конструктивного совершенствования оборудования только растет. И хотя исследованию ТД инструмента и заготовки, в период развития науки о технологии машиностроения, было посвящено не малое количество работ, практически все они, посвящены изучению максимальных, установившихся ТД и, по выражению самих исследователей, носят лишь оценочный характер. При
4 этом, как показывает литературный обзор данной проблемы, на сегодняшний день, не смотря на признание важности и значительности влияния указанной составляющей погрешности на точность обработки, для оценки величин возникающих ТД предлагается пользоваться эмпирическими формулами, полученными в середине прошлого века, и пригодных для определения ТД элементов технологической системы находящихся в состоянии теплового равновесия.
Кроме того, в настоящее время на производстве наблюдается тенденция к применению сухого резания как наиболее экологически чистого метода обработки. Однако радикальный отказ от применения СОТС, может привести не только к уменьшению периода стойкости инструмента, но и к появлению значительных погрешностей обработки вследствие возникновения повышенных ТД механообрабатывающей технологической системы (МТС). Это определяет необходимость прогнозирования величин ТД в различных условиях обработки, и в случае значительного влияния их на точность, предложения методов снижения возникающих ТД.
Несомненно, актуальным направлением на сегодняшний день является также стремление реализации во всех сферах человеческой деятельности компьютерного проектирования и прогнозирования результатов. Данная работа лежит в русле этого течения т.к. направлена на применение полученных результатов в целях прогнозирования величин элементарных погрешностей на этапе проектирования технологических процессов. Осуществляется это с помощью формирования и обучения на основе полученных данных искусственной нейронной сети (ИНС). Применение которых, в области машиностроения, как показывают многочисленные исследования, дает всецело положительные результаты.
Целью настоящей работы является изыскание способов повышения точности обработки тонким точением и возможности её прогнозирования на этапе технологической подготовки.
5 Для достижения поставленной цели предполагалось решить следующие задачи:
Изучение величин возникающих погрешностей от ТД при лезвийной обработке и изменения их доли в общей погрешности обработки при изменении условий обработки.
Изучение влияния условий резания (в том числе режимов резания, применения СОТС) на ТД при резании.
Изучение влияния износа инструмента на ТД.
Анализ влияния ТД инструмента и заготовки на получаемую точность обработки.
Разработка способов уменьшения возникающих ТД при резании.
Разработка нейросетевой модели прогнозирования тепловых деформаций и влияния элементарных погрешностей на точность получаемых деталей.
Задачи настоящего исследования решались экспериментальными и теоретическими методами. Экспериментальное изучение величин элементарных погрешностей обработки проводилось с помощью методики и программных продуктов, разработанных на кафедре ТМП ИГТА. Обработка результатов экспериментов осуществлялась с использованием методов математической статистики. Для реализации системы прогнозирования точности на основе нейронных сетей, использовался программный продукт MATLAB.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Установлены зависимости температурных деформаций инструмента и
заготовки от условий обработки, влияние, которых на температурные
деформации, имеет сложный характер.
2. Установлено влияние на точность обработки температурных
деформаций инструмента и заготовки в отдельности.
3. Предложен метод повышения точности обработки деталей на основе
снижения погрешности связанной с температурными деформациями
инструмента и заготовки.
4. Предложено программное обеспечение на основе пакета
нейросетевого программирования позволяющее прогнозировать величину
температурных деформаций и влияния их на общую точность обработки.
Практическая ценность работы состоит в сборе большого количества экспериментальных данных и построении на основе этих данных неиросетевои модели прогнозирования точности обработки точением. Которая может быть использована как на этапе технологического проектирования для оценки возникающих погрешностей обработки, так и на этапе производства деталей с целью учета элементарных погрешностей обработки при выполнении настройки станка.
Анализ литературных данных, постановка целей и задач исследования
Проблема точности обработки деталей ввиду высокой значимости была в центре внимания многих известных отечественных и зарубежных ученых, таких как: А.П. Соколовский, Н.А. Бородачев, А.Б. Яхин, К.С. Колев, П.А. Кораблев, B.C. Корсаков, Б.С. Балакшин, П.И. Ящерицин, Ю.М. Соломенцев, К.Р. Monoronjak, К. Okushima, Y. Yoshida и многих других. Их работы стали основой для построения теории точности обработки деталей, а использование полученных результатов дало возможность значительно снизить погрешности обработки. Но постоянное ужесточение требований к точности изготовления деталей заставляет искать новые пути снижения суммарной погрешности обработки.
Как показали многочисленные исследования [18, 19, 20, 21, 27, 28, 46, 48, 54, 55], на погрешность обработки влияет огромное количество факторов, связанных как со станком, так и с процессом резания. Общая погрешность обработки, возникающая при изготовлении детали, является суммарным результатом влияния многочисленных элементарных погрешностей. Каждая из них, вносит свою долю в общую погрешность и в это же время опосредованно или напрямую влияет на остальные элементарные погрешности.
Доля различных элементарных погрешностей в общей погрешности для наиболее распространенных случаев примерно составляет [18, 21, 29, 46, 49, 51,55]: погрешность установки при обработке валов при точении: 2...40%; в погрешности, связанные с упругими деформациями системы механообрабатывающей технологической системы (МТС): 0...80%; погрешности от износа инструмента: 5.. .40%; погрешности от тепловых деформаций элементов МТС: 15.. .70%; погрешности вследствие геометрических неточностей станка: 1...15%; погрешности, связанные с трудноучитываемыми случайными факторами: 1... 15%.
Из приведенного перечня видно, что огромное влияние на общую погрешность обработки оказывают деформации элементов МТС, вызванные тепловым фактором. В общей совокупности процессов, протекающих при обработке металлов резанием, этот фактор играет очень весомую роль. Еще в 1905 г. Н.Н. Савин, изучая калориметрическим путем, количество теплоты, образующейся при механической обработке материалов, показал, что практически вся затрачиваемая на этот процесс работа преобразуется в теплоту. К теплоте, от преобразования энергии затрачиваемой на резание добавляется теплота, создаваемая работой электрических и гидравлических систем станка, теплота, сообщаемая внешней средой и других. Таким образом, в процессе обработки заготовок, звенья технологической системы находятся под непрерывным воздействием различных источников теплоты. Изменения температуры технологической системы порождают дополнительные пространственные относительные перемещения ее исполнительных поверхностей (как лезвия инструмента, так и заготовок) и, как следствие, добавочные слагаемые погрешности.
В связи с ужесточением требований к точности обработки, её интенсификацией, а также увеличения жесткости МТС доля температурных деформаций в общем балансе погрешностей непрерывно увеличивается. Однако величину температурных деформаций (ТД) труднее всего уменьшить или компенсировать по сравнению с другими видами деформаций [18, 43, 48, 63]. Снижение теплообразования при резании и, соответственно уменьшении ТД элементов МТС возможно, в основном, путем уменьшения интенсификации процесса обработки, что приводит к снижению производительности. Это в настоящих условиях промышленной деятельности невозможно.
Доля ТД в общем балансе погрешностей обработки тем значительнее, чем жестче требования к точности обрабатываемых деталей и больше их размеры. При использовании станков с ЧПУ эта доля еще более увеличивается, так как эти станки очень энергоемки, а доля машинного времени у них достигает 70-90% [50, 68]. Поэтому при чистовой обработке деталей отклонения, вызванные тепловыми процессами, могут быть очень значительными или даже доминирующими среди всех технологических погрешностей [38, 54].
Результирующая погрешность, определяемая температурными деформациями МТС, состоит из ТД обрабатываемой заготовки, инструмента, а также ТД элементов и узлов самого металлообрабатывающего оборудования.
ТД узлов и деталей станка, приводящие к снижению точности обработки, носят сложный пространственно временной характер и зависят от многих факторов: конструкции и компоновки узлов станка, режимов работы станка, последовательности и длительности на том или ином режиме, теплофизических параметров, материалов, из которых изготовлен станок, условий теплообмена, геометрической формы узлов станка и многих других параметров. Возникающая при работе станка нестабильность его теплового режима приводит к изменению относительного положения инструмента и заготовки, причем линейные изменения относительного положения инструмента и заготовки приводят к размерным погрешностям, а угловые повороты узлов и деталей станка к погрешностям формы и расположения. Причем последние, не устраняются и даже при установившемся тепловом режиме постоянно проявляются и становятся как бы неотъемлемой характеристикой станка [68].
По отношению к технологической системе, все источники делят на внешние и внутренние [9]. К внешним относят окружающую среду, а также близлежащие источники тепла. Внешние источники тепла оказывают значительное влияние на температурные деформации МТС. Например, нагрев солнечными лучами стенки передней бабки круглошлифовального станка в течении 2 ч. приводит к отклонению от прямолинейности перемещений стола на 4.5 мкм [34].
Методика измерения ТД и размерного износа инструмента
Для экспериментального определения элементарных погрешностей обработки были рассмотрены существующие методики.
В некоторых работах [Колев] методика для определения ТД инструмента строилась на основе определения средней температуры тела резца с помощью термопар расположенных в державке (рис. 2.2) и последующем расчете ТД через коэффициент температурного расширения. Данный метод позволяет выявить картину динамики нагрева и остывания резца, а также скорости распространения тепла от режущей кромки по телу державки. Однако ТД оцениваются опосредованно, что сказывается на точности этого метода.
Для устранения данного недостатка Д.Д. Медведевым [26] было предложено измерять изменение расстояния от закаленного штифта запрессованного в заднюю часть резца до режущей кромки (схема на рис. 2.2), сразу после обработки и спустя некоторое время, необходимого для остывания резца. ТД определялись как разность размеров А\кАг. Этот метод не обладает высокой точностью из-за высокой погрешности измерения и кроме того дает общее удлинение резца, а на точность обработки влияет удлинение консольной части резца, т.е. до места крепления резца в суппорте.
Другой способ измерения ТД приводится в работах Рыжова Э.В. [41] Измерения проводились с помощью микронного индикатора установленного на суппорте станка, к которому после определенного времени обработки поворотом резцедержателя подводили вершину резца и оставляли до полного остывания, разность начального и конечного положения вершины резца принималось за его ТД. Использование микронного индикатора дает высокую точность измерения. Однако в этой методике отсутствует возможность с достаточной точностью оценить износ резца, который, как показали исследования, оказывает значительное воздействие на ТД.
В данной работе измерение погрешностей обработки возникающих из-за износа инструмента и его ТД основано на регистрации изменения погрешности формы обрабатываемой детали в зависимости от превалирующей в конкретный момент элементарной погрешности обработки. Методика разработана в ИГТА на кафедре ТМП. под руководством к.т.н. доц. Семенова В.В. [42]
Эксперименты проводились следующим образом. В продольном сечении заготовка была разделена канавками шириной до 3 мм на несколько участков различной длины (от 2 до 300 мм). Разделительные канавки предназначены для прерывания процесса резания после необходимой нам пройденной длины обработки, до полного остывания и устранения тепловых деформаций, как резца, так и заготовки. Разная длина участков позволяет более полно выявить характер влияния элементов режимов резания на величины погрешностей, а также динамику их роста и стабилизации. Заготовка закреплялась в трехкулачковом самоцентрирующемся патроне и заднем центре станка. На рис. 2.3 представлена схема крепления заготовки и показан резец, находящийся в первой разделяющей канавке в момент его остывания после обработки первого участка заготовки.
После полной обработки заготовки в резцедержатель станка устанавливался индикатор (часового типа, с ценой деления 0,001 мм), с помощью которого осуществлялось измерение значений отклонения профиля поверхности от прямолинейности в трех сечениях вала. С каждого участка снимали от 3 до 20 показаний (в одном сечении), в зависимости от размера участка. Основными причинами отклонения профиля поверхности от прямолинейности являются износ инструмента и его тепловые деформации, а в случае обработки нежесткой заготовки еще и ее упругие деформации. Применительно к процессу токарной обработки цилиндрических поверхностей (например, один из участков заготовки между канавками) схемы образования погрешностей можно представить следующим образом (рис. 2.4).
Влияние режимов резания при различных условиях обработки на ТД инструмента
Все авторы, изучавшие ТД инструмента, указывают на высокое влияние скорости резания v на ТД [3, 19, 21, 27, 54]. Причем влияние скорости резания, по их мнению, превалирует над влиянием всех остальных режимных факторов. В работах отмечается, что с ростом скорости резания растут и наибольшие ТД. За наибольшие ТД в данном случае принимают деформации, имеющие место при стабилизации теплового поля инструмента. Т.е. значение наибольших ТД равно ординате асимптоты, к которой стремятся ТД инструмента при бесконечном времени обработки. Вид зависимости наибольших ТД от скорости резания определенной авторами сводился к простой степенной форме [41, 54]: где С/ - постоянная величина, z - показатель степени зависящий от характеристик используемых материалов. В некоторых более поздних работах показатель степени z является величиной зависящей не только от физических характеристик обрабатываемого материала, но и от самой скорости резания (весь диапазон исследованных скоростей разбивался на несколько интервалов с постоянным значением показателя). Это является проявлением сложного характера зависимости ТД от скорости и говорит о не достаточной обоснованности применения простой степенной формулы для её описания.
Кроме того, стабилизация теплового поля резца понятие несколько условное, в особенности для труднообрабатываемых материалов, т.к. при длительной обработке лезвие режущего инструмента постепенно изнашивается, соответственно меняются и условия резания, в частности повышаются силы резания и температура в зоне контакта. Что, безусловно, сказывается на температурном поле резца и его ТД. Практически, это проявляется в некотором небольшом постоянном приросте ТД инструмента в процессе длительной обработки (в период стабилизации ТД) независимо от её продолжительности. Этот прирост хорошо виден на рис. 3.3, 3.4 и т.д. где представлены кривые зависимостей возникающих ТД от пройденного пути резания (площади обработанной поверхности).
Также необходимо заметить, что характеристика наибольших ТД дает лишь частичное представление о влиянии ТД на точность обработки конкретной детали в общей партии, т.к. время достижения наибольших ТД может значительно превышать время обработки этой детали. Поэтому необходимо рассмотрение и вопроса динамики роста ТД в процессе единичной обработки.
Изучение вопроса влияния скорости резания на ТД в настоящей работе проводилось экспериментально по методике представленной во второй главе, полученные данные проходили статистическую обработку. Среднеквадратическое отклонение для представленных данных составляет от 0,95 до 2 мкм. Средний размах вариации измеряемых значений 3 мкм, на рисунках представлены средние значения ТД полученных по результатам всех опытов для конкретных условий.
Как и указывается во множестве исследований, с повышением скорости резания увеличиваются и ТД. Это, безусловно, является следствием повышения общего количества выделяющейся при резании теплоты. Однако зависимость ТД от скорости резания меняется для обработки различных материалов или при изменении условий резания (рис. 3.1). резец-ТІ5К6 пластинанапайная, вылетLp= 25 мм; t = 0,3 мм; = 0,075 мм; СОТС.
Различная степень влияния скорости резания на ТД при изменении материалов или условий резания объясняется изменением интенсивности тепловыделения и тепловых потоков, направленных в резец, деталь и стружку. При этом и сам характер изменения относительного теплоотвода (процентное соотношение тепловых потоков направленных в резец, деталь, стружку и окружающую среду) с ростом скорости резания также может измениться. Это может оказать значительное влияние на ТД и проявляется в не равномерности роста или даже не монотонности (наличии экстремумов) функции зависимости ТД от скорости резания.
Так прерывистость процесса резания оказывает значительное воздействие на зависимость ТД от скорости резания. Как видно из рис. 3.1 кривая зависимости ТД от скорости резания при прерывистом резании отличается от кривой при непрерывной обработке не только несколько пониженными значениями величины ТД на некоторых участках, но и наличием участка, на котором с ростом скорости резания ТД уменьшаются. Локальный минимум, имеющий место в указанных условиях обработки при скорости резания 350 м/мин, проявляется также и при других режимах резания и коэффициенте прерывистости.
Объясняется такое явление тем, что при установлении температуры резания с момента врезания инструмента существует кратковременный переходный период роста температуры от её минимального значения до определенной величины в условиях установившегося теплообмена. Каждой скорости резания соответствует определенный фронт нарастания температуры за период неустановившегося процесса теплообмена, и с повышением скорости длительность переходного процесса выравнивания температуры сокращается. Однако, если время контакта лезвия с заготовкой меньше продолжительности переходного процесса, то в этом случае температура резания определяется не только скоростью резания, но и временем контакта.
Разработка способов уменьшения влияния ТД на точность обработки
ТД возникающие в МТС в целом носят сложный пространственно-временной характер. В смысле же точности обработки важны те направления ТД, которые влияют на смещение действительной траектории режущей кромки от её номинальной траектории. В случае обработки точением для заготовки это изменение её обрабатываемого диаметрального размера, для инструмента -удлинение (или искривление при обработке отверстий) его консольной части. При точении валов ТД инструмента и заготовки имеют противоположные направления, но приводят к одному результату - уменьшению диаметра обрабатываемого размера. При растачивании отверстий ТД заготовки уменьшают диаметр обрабатываемого отверстия, а влияние ТД инструмента во многом зависят от параметров применяемого инструмента и могут, как увеличивать обработанное отверстие, так и уменьшать его. В любом случае изменение взаимного положения режущей кромки инструмента и заготовки от номинального, в условиях установившихся ТД, может быть частично учтено соответствующим изменением настроечного размера. Но снизить погрешность от возникающих ТД не удается из-за нестационарности тепловых полей в течение процесса обработки, наличия процесса установления ТД после её начала и т.д.. Соответственно для устранения влияния ТД на точность необходимо учитывать динамическое изменение погрешностей в течение всего периода обработки.
Такой учет может быть сделан на станках повышенной точности с числовым программным управлением, при наличии информации о суммарном воздействии погрешностей обработки на смещение режущего лезвия относительно его номинального положения. На универсальных же станках такую коррекцию выполнить невозможно. Поэтому необходимо осуществлять специальные мероприятия, направленные на снижение той или иной погрешности.
Для погрешности связанной с ТД инструмента и заготовки, такими мероприятиями может быть выполнение предварительного прогрева инструмента, а также осуществление дополнительного охлаждения заготовки.
Предварительный подогрев инструмента можно выполнить непосредственно на станке, без каких либо сложных конструктивных его изменений, с помощью включения в обработку дополнительного обрабатываемого материала - буфера подогрева инструмента.
В условиях, когда ТД инструмента в значительной степени влияют на точность формы обрабатываемой заготовки, включение в обработку дополнительной буферной зоны подогрева инструмента может позволить значительно повысить точность обработки. В зависимости от обрабатываемого диаметра и продолжительности первоначального периода накопления инструментом ТД, размер буферной зоны может варьироваться. С целью максимального использования дополнительного материала вводимого в процесс обработки, необходимо в период прогрева инструмента использовать режимы резания позволяющие добиться скорейшей стабилизации теплового состояния инструмента. Т.е. по возможности необходимо применение повышенных значений скорости резания и пониженных величин подачи, которые бы уменьшали начальный период накопления инструментом ТД. Кроме того, в период прогрева работа должна вестись без СОТС.
Такой метод компенсации ТД инструмента, в зависимости от конкретных условий, позволяет добиться снижения погрешности связанной с ТД инструмента на 50-80%. Что может позволить повысить точность формы обрабатываемой поверхности на 1...2 уровня.
Так, например, анализ существующего технологического процесса изготовления детали «корпус 015.101» из материала сталь 80С выявил значительное превышение погрешности обработки на операции растачивания конического отверстия по сравнению с нормальной погрешностью обработки для данного метода. Изучение этой проблемы показало, что связано это с повышенными ТД возникающими в процессе обработки отверстия в данном материале. Причем наибольшую долю в погрешность обработки вносится ТД инструмента, который с началом работы из-за неравномерности нагрева консольной части изгибается, а через некоторое время работы изгиб значительно уменьшается.
Для устранения влияния ТД на точность обработки был применен предварительный подогрев инструмента при помощи включения в обработку буфера подогрева инструмента выполненного в виде втулки поджатой к поверхности корпуса перед растачиваемым отверстием. Эффект от применения такого буфера приведен в сравнительной форме в табл. 4.1.
Другим примером удачного применения буфера подогрева инструмента может служить использование такого буфера в технологическом процессе обработки детали «Тяга 198.412.12» из материала сталь 40ХН2МА. Схема осуществления включения буфера подогрева инструмента в обработку представлена на рис. 4.8. Как можно видеть из рисунка при обработке наружных поверхностей, это может быть осуществлено путем несложного конструктивного изменения заднего центра. Которое позволит выполнять центрирование и поджатие заготовки с одновременным поджатием к заготовке буфера подогрева инструмента выполненного в виде толстостенной трубы.
