Содержание к диссертации
Принятые обозначения 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1. АНАЛИЗ ВОПРОСОВ ИЗНАШИВАНИЯ ЛЕЗВИЙНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ, РАСЧЕТА ИХ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ И НАЗНАЧЕНИЯ РЕЖИМОВ ИХ РАБОТЫ 14
1.1. Процессы изнашивания режущего клина и характеристики его износостойкости 18
1.2. Существующие подходы к оптимизации режимов резания 61
1.3. Цель и задачи исследования 77
2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЛЕЗВИЙНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ 80
2.1. Структурный анализ вопроса достоверности расчетных режимов 83
2.2. Границы и информационное содержание области разрешенных режимов для конкретного технологического перехода 88
2.3 Разработка общих уравнений для расчета критериев оптимальности процесса лезвийной обработки 100
Выводы по главе 2 112
3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ КОНТАКТНЫХ ПРОЦЕССОВ НА ФАСКЕ ИЗНОСА 114
3.1. Закономерности силового взаимодействия обрабатываемого материала с фаской износа 114
3.2. Теплофизика процессов изнашивания задних поверхностей лезвийных инструментов при точении и фрезеровании 120
3.3. Расчетные модели твердых сплавов и их усталостного разрушения в процессе изнашивания 1 3.3.1. Физическая модель структуры твердого сплава и её проверка на достоверность 138
3.3.2. Расчетные модели состояния поверхностного слоя фаски износа и усталостного разрушения твердых сплавов на любой стадии изнашивания 154
Выводы по главе 3 174
4. РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ 177
4.1. Физическое обоснование выбора расчетной характеристики износостойкости лезвийного инструмента и её использование для оценки других показателей износостойкости 177
4.2. Влияние температуры контакта на прочностные свойства твердых сплавов
185
4.3. Термомеханические расчетные модели интенсивности изнашивания твердосплавного режущего клина по двум вариантам разрушения контактного слоя 188
4.4. Прогноз характеристик износостойкости твердосплавного инструмента в заданных условиях обработки 196
Выводы по главе 4 201
5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОЛОГИИ РАСЧЕТА ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ ТВЕРДОСПЛАВНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ В ЗАДАННЫХ УСЛОВИЯХ ОБРАБОТКИ 204
5.1. Особенности расчета показателей износостойкости контактных поверхностей режущего клина при фрезеровании 204
5.2. Уточнение расчетных моделей ряда выходящих на ограничители показателей процесса резания по его выходным характеристикам 212
5.2.1. Показатели, связанные с учетом силовой нагрузки 212
5.2.2. Показатели, связанные с деформацией стружки и контактными температурами 244
5.2.3. Показатели, связанные с ограничительными функциями критериев оптимальности режимов 256
5.3. Выбор рациональных режимных параметров по результатам оптимизационных расчетов в ОРР 260
5.3.1. Особенности реализации системы оптимизационных расчетов примере экранного представления применительно к твердосплавному резцу на примере экранного пре
полученных информационных материалов 262
5.3.2. Оценка достоверности результатов расчета рационального режима токарной обработки 269
Выводы по главе 5 271
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 275
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ 279
ПРИЛОЖЕНИЯ 293
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Формулы для расчета высоты шероховатости 294
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Вывод формулы для расчета усадки стружки 298
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Закономерности изнашивания твердосплавного инструмента 300
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Программа назначения рациональных режимов работы твердосплавных резцов и фрез 301
а) Блок-схема расчетного алгоритма
б) Окно ввода исходной информации
в) Фрагмент расчетного блока программы
г) Примеры экранного представления результатов расчета
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Перечень х/д НИР, в которых отрабатывались методики, включенные в диссертацию 309
ПРИЛОЖЕНИЯ 6-9 Акты производственного внедрения разработок 312
ПРИЛОЖЕНИЯ 10-12. Акты внедрения материалов диссертации в учебный процесс 316
СОДЕРЖАНИЕ
Введение к работе
Задача повышения эффективности производства стоит перед наукой о резании постоянно. В настоящее время машиностроительная промышленность работает в условиях компьютеризации производственного оборудования и технологических служб, ответственных за его работу, сниженной загрузки мощностей, частой сменяемости заказов, их малой серийности и резкого роста стоимости- режущего инструмента (в технологической себестоимости деталей доля инструмента доходит до 30-40%). Из-за этого при оценке эффективности производства вместо производительности на первое место выходят экономические и качественные показатели обработки и экономный расход инструментов. Кроме того, при росте количества необходимых расчетов сокращается ресурс времени на их осуществление и резко повышаются требования к достоверности результатов проведенных расчетов, чтобы не тратить времени на их производственную корректировку. Поэтому на этапе компьютеризации повышение эффективности производства сдерживается такими требующими совершенствования сложными комплексами технико-технологических задач, как:
- отсутствие достоверных моделей, позволяющих прогнозировать износостойкость режущего клина в заданных условиях обработки и приспособленных для различных типов режущих инструментов;
- отсутствие достоверных ограничителей применимости этих моделей из-за выхода процесса резания из допускаемой всеми ограничениями области регулирования режимных параметров на станочном оборудовании;
- использование эмпирических моделей выходных характеристик технологической системы по точности и качеству обработанных поверхностей, связывающих их с условиями резания;
- низкая достоверность существующих методик оптимизации режимов лезвийной обработки, что требует отладки результатов расчета непосредственно на станке.
В диссертации вопросы повышения износостойкости лезвийных инструментов решаются с позиций термомеханики резания путем физического моде 7 лирования их взаимодействия с обрабатываемым материалом (ОМ).
Переход практически всех предприятий на мелкие заказы с частой сменяемостью объектов производства влечет за собой расширение используемой номенклатуры обрабатываемых материалов. По вновь используемым ОМ у предприятий отсутствует опыт их обработки. Удорожание энергии заставляет переходить на упрощенные формы заготовок из проката или литья с повышенными припусками. Поэтому в структуре себестоимости продукции растет доля механической обработки, как наименее энергоёмкой. В этих ситуациях шире используется универсальное оборудование с программным управлением, для которого разработка программ требует автоматизации траекторыых и режимных расчетов при любой программе выпуска продукции. Адекватность результатов таких прогнозных расчетов выходным показателям реального процесса обработки должна быть на уровне, превышающем требования к расчету режимов в массовом производстве. Это связано с отсутствием возможностей длительной отладки программ на рабочих местах при производстве изделий малыми сериями.
Повышение эффективности машиностроительных производстве за счет повышения качества обработки и снижения затрат на заданном количестве обработанных деталей напрямую связано с методологией оптимизации режимов лезвийной обработки заданной детали из известной заготовки имеющимся инструментом на имеющемся станке. При этом действительно оптимальные решения возможны лишь с помощью расчетных моделей, точно прогнозирующих состояние системы резания по всем сё выходным характеристикам в любой момент работы инструмента в заданных условиях. Эти математические модели должны быть физически обоснованы и выведены с единой методологической базы, так как только в этом варианте обеспечивается наиболее эффективная минимизация требуемой исходной информации.
Введенное в 50-х годах XX века понятие системы резания для лезвийных инструментов разделило все процессы, составляющие собственно резание, на гри, подсистемы, описывающие различные их группы - процессы формирования обработанной поверхности, процессы стружкообразования и процессы изнашивания режущего клина. Одновременно с этим возникло понимание об их внутренней взаимосвязи. Но под понятием "общая взаимосвязь явлений при резании" вначале подразумевалась взаимосвязь явлений механики стружкообразования со схемами деления припуска на срезаемые слои. Через двадцать пять лет в общую взаимосвязь были включены теплофизические закономерности процесса резания и она была названа "термомеханика". В настоящее время разделы науки о резании по общности разработанных в них математических моделей и их пригодности к прогнозу результатов процесса обработки развиты неравнозначно.
Наименее разработанным разделом оказалась теория изнашивания режущего клина. Об этом говорит то. что до сих пор в качестве основных показателей и ограничителей процесса изнашивания используются только интегральные характеристики - такие, как усредненный с учетом опыта заводов допустимый износ И (критерий износа), определяемый выбранным критерием износа период стойкости Т (стойкость), и зафиксированные на периоде стойкости путь резания L — vT. площадь обработанной поверхности Т7 = L s = vsT или объём удаленного припуска W =F t=:vstT. Эти величины эмпирическими моделями связываются с управляемыми факторами процесса резания - скоростью резания v, подачей s, геометрическими параметрами инструмента, физико-механическими свойствами обрабатываемого и инструментального материалов.
Так, степенные модели стойкости, предложенные в начале XX в. Ф. Тэй-лором, используются в науке и нормативных документах практически во всем мире до настоящего времени. Но уже в 60-е годы прошлого века ведущими отечественными учеными они признавались малопригодными из-за неадекватности результатам экспериментальной проверки, хотя оценка констант уравнений для конкретных схем обработки в заданных диапазонах изменения режимов связана с большой металло- и трудоемкостью. Физические механизмы, предложенные для объяснения процесса изнашивания, до сих пор остаются лишь гипотезами, а их математические модели представляют собой хотя и усложнен 9 ные, но. в основном, степенные эмпирические выражения со всеми их недостатками. В обзорном труде [87, с. 391] повышение научного уровня исследований связывалось с тем, чтобы "...научиться предсказывать изменения результатов процесса резания при заданном изменении условий резания". Здесь же намечается и направление успешного решения этой задачи: "... необходимо главное внимание уделять пониманию сущности происходящих процессов, а не установлению частных эмпирических зависимостей". В последние годы делались отдельные попытки термомеханически, то-есть с учетом влияния температуры. включить процессы изнашивания в общую взаимосвязь на основе эмпирики. однако это слабо повлияло на возможности прогноза результатов этого сложного процесса.
На наш взгляд, сложность расшифровки закономерностей изнашивания режущего клина связана с тем, что в процессе контактного взаимодействия ОМ и инструмента сконцентрированы во взаимовлиянии друг на друга все физические явления процесса обработки, происходящие чаще всего в предельных условиях. Предельность условий для отдельных физических явлений такова, что поведение включенных в них элеменюв технологической системы не всегда описано в разделах соответствующих наук. Так. трение контактных поверхностей (ювенильной со стороны ОМ и очищенной до состояния отсутствия промежуточного слоя со стороны режущего клина) проходит в условиях сплошного контакта инструмента с пластически деформируемым в момент грспия ОМ. находящимся под нормальными давлениями, определяющими его текучесть в возникших температурно-скоростных условиях деформирования.
Контактное поведение материалов при такой "холодной" деформаций не исследовано ни в физике твердого тела, ни в трибологии, так как кот ак і пая іемпераіура в каждой точке определяется скоростями деформирования и достигнутой при этом конечной степенью деформации. Из-за этого в контактных слоях инструмента она может превышать условия "горячего" деформирования. Считается, что достигаемая степень деформации в таких условиях "холодной обработки" при резании значительно превышает степени деформации при "го 10 рячем" деформировании (ковка, штамповка и др.). В теории пластичное їй есть модели поведения материалов для второго случая, и отсутствуют для первого. А закономерности высокоскоростного "холодного" пластического деформирования в самоустанавливающемся очаге деформации, заключенном между упруго-напряженными элементами технологической системы (инструментом, основной частью стружки и подповерхностным слоем детали), не исследованы в іеории пластичности настолько, чтобы оттуда брать разработанные математические модели контактных явлений.
Поэтому для разработки аналитической модели процесса на начальном этапе в качестве объекта теоретического анализа необходимо выбрать такую изнашиваемую поверхность инструмента, на которой влияние различных фак-торов на выходные характеристики процесса легче всего разделяется, а их уровни поддаются нормированию. Таким объектом является задняя поверх-посіь твердосплавного инструмента, так как свойства структурных элементов твердого сплава наиболее изучены, а при износе задней поверхности с образованием фаски износа на любом режиме резания есть стадия линейного износа указывающая на постоянство условий контактного взаимодействия в это время. Полученную в іаких условиях аналитическую модель процесса изнашивания можно использовать как дифференциальную для расчёта показателей этого процесса в более сложных ситуациях, требующих интегрального подхода.
Поэтому разработка комплекса взаимосвязанных физически обоснованных моделей явлений, которые в любой момент обработки определяют процесс изнашивания задней поверхности твердосплавного инструмента, ориентирована на решение давно стоящей, и по і ому весьма актуальной научной задачи внедрения в технологическую практику дифференциальных характеристик процесса изнашивания режущего клина. Такой подход имеет научное и практическое значение при расчете оптимальных режимов обработки в части создании надежных программ компьютеризации инженерного труда для технологической подготовки машиностроительного производства малой серийности. Он важен таюке при совершенствовании нормативной технологической базы под новые обрабатываемые или инструментальные материалы, для освоения новых диапазонов изменения условий обработки или новых физико-технических методов воздействия на условия обработки. Эти модели могут помочь и формированию требований при разработке новых инструментальных материалов (ИМ) и технологических сред.
Для разработки математических моделей процесса изнашивания задней поверхности инструментов из твердых сплавов (ТС) необходимо уточнение кинематических и термомеханических расчетных схем пластического деформирования контактных слоев ОМ в зоне их взаимодействия с режущим клином. Это должно решаться в более сложной схеме сливного стружкообразования. чем схема с единственной плоскостью сдвига. Необходимый для эгого учет наложенного на сдвиг сжатия должно привести к объёмности такой схемы. В диссертации при расчете действующих на контактных поверхностях напряжений и возникающих на них температур в условиях отсутствия таких схем использован прием усреднения коэффициентов изменения скоростей трения контактных слоев ОМ по поверхностям инструмента.
При расчете ограничений процесса резания предложенные уточнения поведения ОМ в контактных слоях использованы и в методике расчета высоты шероховатости обработанной поверхности при несвободном резании. Это позволило учесть деформационные искажения высоты микронеровносіей в краевых зонах пластического очага. Наряду с этим, используя ранние разработки автора по силовым закономерностям, рассчитывались характеристики макрогеометрии обработанных поверхностей при токарной обработке и концевом фрезеровании, связанные с упругими деформациями технологических систем в процессе обработки. Указанные параметры существенно влияют на область рациональных режимов обработки и распределение значений критерия износа внутри неё.
Наличие изменений в математических моделях выходных характеристик системы резания предопределило последовательность изложения результатов работы в следующем порядке. После обзора состояния затронутых вопросов по научно-технической литературе и формирования задач исследования задача оптимизации режимов работы лезвийных инструментов решена в общем виде для уточнения требований к достоверности расчетных моделей, используемых в оптимизационных расчетах. Выведены математические модели для расчета сил в любых технологических схемах, параметров микро- и макрогеометрии обработанной поверхности, характера распределения и средних значений контактных температур - на плоской передней поверхности режущего клина для прогноза усадки сгружки и при любом значении фаски износа для увязки с интенсивностью изнашивания. Все они существенно влияют на выбор условий обработки по любой принятой схеме и прогнозирование параметров рабочего состояния поверхностей инструмента.
Затем на основе схематизации структурного состава ТС выявлены закономерности изнашивания, разработаны их расчетные модели и описаны методики оценки дифференциальных и интегральных характеристик изнашивания твердосплавного инструмента по задним поверхностям. Это дало возможность прогноза характеристик износостойкости инструмента при выборе рациональных параметров режима моделированием процесса резания в токарных и фрезерных переходах на компьютере по предложенной методологии расчета режимов резания.
Разработанный комплекс математических моделей создал возможность с единых методологических подходов но каждому из значимых выходных показателей лезвийной обработки (деформации ОМ, силы, качество и точность обработки) и ограничителям возможности осуществления процесса резания в постоянных и переменных по пути резания условиях формировать расчетные уровни критерия износа.
Достоверность разработанных моделей проверена путем сравнения расчетных значений выходных характеристик системы резания с результатами собственных экспериментальных исследований и с материалами, приведенными в научной литературе. Она подтверждается фундаментальными термодинамическими принципами, на которых базируются основные теоретические разработки; адекватностью результатов расчетов по разработанным аналитическим зависимостям и значений выходных характеристик реальных процессов резания при любых уровнях управляемых параметров этого процесса и непротиворечивостью результатов расчетов по показателям износостойкости накопленному в технической литературе объёму экспериментальных данных.
Таким образом, поставленный и решенный в диссертации крупный комплекс научно-технологических задач, имеющий важное хозяйственное значение для машиностроительного комплекса государства, актуален, так как обеспечивает раскрытие внутренних механизмов изнашивания режущего клина, возможности их аналитического описания и прогнозирования их результатов. Это позволило предложить усовершенствованную методологию оптимизации режимов работы твердосплавного инструмента, повышающую их достоверность и, как следствие, снижающую трудоемкость как расчета, так и производственной отладки его результатов.
