Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор по исследованию процессов механообработки 10
1.1. Механизмы стружкообразования при резании 10
1.2. Механизмы возникновения и исследование автоколебаний при резании 25
1.3. Трение и износ инструмента при резании 37
1.3.1. Механизмы трения при резании 37
1.3.2. Механизмы изнашивания инструмента при резании
1.4. Методы диагностики состояния инструмента при резании 49
1.5. Выводы. Цели и задачи исследований
Глава 2. Математическое моделирование контакт ных процессов прирезании 68
2.1. Самоорганизация процессов трения и смазки при резании 68
2.2. Математическая модель процесса резания с плавлением на фрикционном контакте 90
2.3. Механизмы трения и адгезии при резании с учетом плавления на фрикционном контакте 103
2.3.1. Стенд для исследования прочности адгезионной связи стружки с инструментом 103
2.3.2. Трение и механизм адгезии между инструментальным и обрабатываемым материалами при плавлении на фрикционном контакте 108
2.4. Выводы 128
Глава 3. Динамические модели контактных процессов прирезании 130
3.1. Солитонный механизм возникновения и эволюции вихревых структур в зоне контакта стружки с инструментом 130
3.2. Вихревой механизм отрыва частиц (изнашивания) инструментального материала в поверхностных слоях инструмента ... 139
3.3. Семитонный механизм действия СОТС при резании 141
3.4. Выводы 143
Глава 4. Синергетическии подход к динамическим процессам при резании 146
4.1. Стенд для исследования динамических процессов при резании с использованием виброакустической эмиссии 146
4.2. Анализ динамических процессов в УСС на основе синергетического подхода 153
4.3. Гидродинамическая модель автоколебаний при резании 165
4.4. Выводы 180
Глава 5. Управление технологическими системами на основе принципов самоорганизации и искусственного интеллекта 182
5.1. Управление стружкообразованием при резании 182
5.2. Диагностика износа режущего инструмента при фрезеровании по частоте стружкообразования 201
5.3. Управление работоспособностью режущего инструмента путем осаждения износостойких покрытий 206
5.4. Управление процессами механообработки на основе нейронно-сетевых моделей 212
5.5. Выводы 230
Общие выводы по работе 232
Библиографический список
- Механизмы возникновения и исследование автоколебаний при резании
- Стенд для исследования прочности адгезионной связи стружки с инструментом
- Вихревой механизм отрыва частиц (изнашивания) инструментального материала в поверхностных слоях инструмента
- Гидродинамическая модель автоколебаний при резании
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Процессы обработки резанием по точности, качеству обработанных деталей, а также производительности и экономичности, являются более конкурентноспособными по сравнению с другими методами формообразования.
По-видимому, не будет преувеличением сказать, что сейчас мы переживаем новый этап повышения эффективности и конкурентоспособности процессов механообработки. Этому в значительной степени способствуют, прежде всего, успехи, достигнутые в области математического и компьютерного моделирования процесса резания.
Известно, что выходные параметры обработки (точность, качество обработанной поверхности и т.д.) в течении всего процесса резания недоступны для прямого измерения. Поэтому алгоритмы управления технологическими системами в настоящее время, как правило, строят на базе экспериментальных зависимостей выходных параметров от режима обработки. Повышение надежности процессов механообработки обусловливает необходимость разработки математических моделей возмущения автоколебаний при резании, износа инструмента, точности обработки, адекватно описывающих динамические процессы деформации и разрушения срезаемого слоя.
Важно отметить, что в области фундаментальных исследований также получены существенные результаты, позволяющие проводить разработку новых методов управления технологическими системами обработки резанием. Прежде всего, такая возможность появилась благодаря открытию стохастического поведения динамических систем и формированию новых научных направлений как: исследование динамики нелинейных систем; динамики процессов возникновения и разрушения "порядка" в сложных системах и дис-сипативных средах (биологических, химических и т.д.), далеких от термодинамического равновесия. Выдающуюся роль в решении проблем нелинейной динамики диссипативныхсред играет теория самоорганизации- синергетика.
Синергетика придала новый смысл определению «динамические системы» и ввела представление о динамическом хаосе. Это стимулировало поиск новых критериев оценки устойчивости технологических систем обработки резанием на основе синергетического подхода.
Как показали исследования, самоорганизация процессов механообработки обеспечивает оптимальные условия резания и значения (характеристики) выходных параметров. Поэтому, используя принципы теории самоорганизации, можно глубже изучить физическую сущность явлений, сопровождающих процесс резания и целенаправленно управлять ими.
В связи с изложенным, математическое моделирование самоорганизующихся процессов механообработки с целью повышения надежности и оптимального функционирования технологических систем является важной научной проблемой.
Работа выполнялась в Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете (КнАГТУ) по межвузовской региональной научно-технической программе "Научное обеспечение федеральной целевой программы экономического и социального развития Дальнего Востока и Забайкалья" (Дальний Восток России) по темам "Разработка методов и аппаратного обеспечения технической диагностики автоматизированных комплексов на предприятиях Дальневосточного региона" и "Повышение эффективности процессов механообработки в гибких автоматизированных системах машиностроительных предприятий Дальневосточного региона" (1991 - 1999 г.п); по проекту "Повышение надежности режущего инструмента и станочного оборудования в условиях автоматизированного производства" в рамках межвузовской программы "Научные исследования высшей школы в области производственных технологий" (раздел "Технология и оборудование для обработки изделий машиностроения").
Цель работы. Повышение надежности и обеспечение оптимального функционирования технологических систем на основе моделирования и управления процессами механообработки.
Методы и средства исследований. В работе использованы современные теоретические и экспериментальные методы исследования процесса резания. Теоретические исследования проводились путем математического и компьютерного моделирования самоорганизующихся процессов при резании, обеспечивающих оптимальные условия обработки, в частности, на основе подходов гидродинамики с привлечением для физического обоснования разработанных моделей современных достижений в области физики твердого тела, материаловедения, физико-химии; экспериментальные исследования осуществлялись на разработанных стендах, оснащенных современными аппаратными и программными средствами, при изучении процессов деформации срезаемого слоя и изнашивания режущего инструмента использовались тонкие методы физико-химического анализа и электронной микроскопии.
Научная новизна состоит в:
разработке и теоретическом обосновании математических моделей процесса резания с учетом локализации деформации на фрикционном контакте на основе теории пограничного слоя;
разработке динамических моделей трения, износа инструмента и смазочного действия СОТС при резании;
предложенной гидродинамической модели автоколебаний при резании;
разработанных новых критериях оценки устойчивого и хаотического движения упругой системы станка на основе синергетического подхода к процессу резания;
предложенных нейронно-сетевых моделях процесса резания для систем адаптивного управления станочным оборудованием и диагностики износа инструмента.
Практическая ценность работы состоит в:
разработанных программно-аппаратных средствах для исследования и управления автоматизированным станочным оборудованием;
предложенных методах диагностики износа инструмента и стружкообразования;
разработанных методах управления работоспособностью режущего инструмента (а.с.№№ 1322605,1342047,1351154,1356499,1372976,1407099).
Реализация работы.
Результаты работы внедрены в производство на Комсомольском-на-Амуре авиационном производственном объединении, в учебный процесс по магистерским курсам «Управление технологическими системами», «Динамика технологических систем», «Повышение надежности процессов резания в автоматизированном производстве».
Апробация работы.
Основные результаты работы были доложены и обсуждены на краевых научно-техническая конференциях «Техническая диагностика станков и машин» (Хабаровск, 1982 г.), «Повышение эффективности использования автоматизированных комплексов на предприятиях Дальнего Востока» (Комсомольск-на-Амуре, 1989 г.), 2-ой Всесоюзной конференции «Применение лазеров в технологии и системах передач и обработки информации» (Ленинград, 1984 г.), 2-ом Всесоюзном научно-техническом симпозиуме «Современное оборудование для поверхностного упрочнения деталей машин и инструментов» (Саратов, 1990 г.), Всесоюзной конференции «Механика конструкций из композиционных материалов и проблемы динамических испытаний» (Комсомольск-на-Амуре, 1990 г.), Международной научно-технической и методической конференции «Технические средства, методы расчета прочностных характеристик, технологии, обеспечивающие надежность и долговечность деталей и конструкций из новых материалов в машиностроительной, горнодобывающей и нефтегазовой промышленности» (Комсомольск-на-Амуре, 1992 г.), региональной телеконференции по итогам выполнения межвузовской региональной научно-технической программы «Дальний Восток России» (Хабаровск, 1996 г.), Международной научной конференции «Синергетика.
Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях» (Комсомольск-на-Амуре, 1998 г.), Международной научно-технической конференции «Точность и надежность технологических и транспортных систем» (Пенза, 1999 г.), XVIII Всероссийской научно-технической конференции «Стратегия технического прогресса технологий производства XXI века» (Комсомольск-на-Амуре, 1999 г.), IV Международном конгрессе «Конструкторско-технологическая информатика» КТИ-2000 (Москва, СТАНКИН, 2000 г.), Международной научной конференции «Синергетика. Самоорганизующиеся процессы в технологиях и системах» (Комсомольск-на-Амуре, 2000 г.), на заседаниях кафедр «Теория технологических машин» Московского государственного технологического университета «СТАНКИН» (2000 г.), «Автоматизация машиностроения» Нижегородского государственного технического университета (2000 г.), «Компьютерное проектирование и сертификация машин» Хабаровского государственного технического университета (2000 г.), «Технология машиностроения» Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета (1999,2000 г.п).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано.... печатных работ, в том числе одна монография.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из .... наименований и приложения. Изложена на.... страницах машинописного текста, содержит.... рисунков и.... таблиц.
Механизмы возникновения и исследование автоколебаний при резании
Получаемые при механической обработке типы стружек весьма разнообразны. Они во многом зависят от вида и механических свойств обрабатываемого материала. При резании пластичных материалов возможно образование первых трех типов стружки: элементной, суставчатой и сливной. По мере увеличения твердости и прочности обрабатываемого материала сливная стружка переходит в суставчатую, а затем в элементную. Известно, что при обработке хрупких материалов образуется или элементная стружка (чаще), или стружка надлома (реже). С повышением твердости материала, например чугуна, элементная стружка переходит в стружку надлома.
Из геометрических параметров инструмента наиболее сильно на тип стружки влияют передний угол у и угол наклона главного режущего лезвия X. При обработке пластичных материалов влияние переднего угла у и заднего угла а принципиально одинаково: по мере их увеличения элементная стружка переходит в суставчатую, а затем и в сливную. При резании хрупких материалов при больших передних углах может образовываться стружка надлома, которая по мере уменьшения переднего утла переходит в элементную. При увеличении заднего угла а стружка постепенно превращается в элементную стружку.
На тип стружки также оказывает существенное влияние подача (толщина срезаемого слоя), в то время, как глубина резания (ширина срезаемого слоя) на тип стружки практически не влияет. Увеличение подачи (толщины срезаемого слоя) приводит при резании пластичных материалов к последовательному переходу от сливной стружки к суставчатой и элементной. При резании хрупких материалов с увеличением подачи элементная стружка переходит в стружку надлома.
Наиболее сложно влияет на тип стружки скорость резания. При резании большинства углеродистых и легированных конструкционных сталей, если исключить зону скоростей резания, при которых образуется нарост, по мере увеличения скорости резания, стружка из элементной становится суставчатой, а затем сливной. Однако, при обработке некоторых жаропрочных материалов, повышение скорости резания, наоборот, превращает сливную стружку в элементную. Физическая причина этого явления до настоящего времени полностью не выяснена. Повышение скорости резания, при обработке хрупких материалов, сопровождается переходом стружки надлома в элементную стружку с уменьшением размеров отдельных элементов и упрочнением связи между ними.
Первым, кто отметил значение явлений, происходящих в процессе резания в связи с образованием стружки, и тем самым заложил фундамент науки о резании, был русский ученый, профессор И.А. Тиме [1]. Он дал наиболее точное, для своего времени, описание общей картины процесса пластического деформирования при резании и появляющихся типов стружки. И.А.Тиме выдвинул гипотезу, представляющую процесс резания как процесс последовательного скалывания частей срезаемого слоя по определенным направлениям, составляющим угол pj с направлением резания.
Он считал, что при обработке большинства материалов, образования элементов стружки скалывания включает в себя две стадии.
1. Внедрение инструмента в обрабатываемый материал. На этом этапе происходит деформация сжатия в срезаемом слое, распространяющаяся только в пределах угла сдвига. Первая стадия оканчивается, тогда, когда площадь площадки смятия по передней поверхности возрастает до предельного, в этих условиях, значения.
2. Скалывание предварительно деформированной на первом этапе части припуска, в результате чего и образуется элемент стружки.
И.А. Тиме отмечал, что при обработке очень пластичных материалов, деформации распространяются и за пределами угла сдвига Рь но все же наиболее сильные деформации возникают именно вокруг него.
Процесс стружкообразования И.А. Тиме описывает следующим образом (Рис. 1).
Под действием силы резания Р резец начинает внедряться в обрабатываемый материал. При этом он преодолевает сопротивление деформации обрабатываемого материала. По мере проникновения резца в деталь площадь деформации и сопротивление смятию увеличиваются, что вызывает увеличение силы резания Р. Это происходит до тех пор, пока составляющая Рск силы Р не окажется достаточной, чтобы вызвать скалывание элемента стружки по плоскости, составляющей угол сдвига pj с направлением скорости резания. При продвижении резца происходит дальнейшее сдвигание образовавшегося элемента под углом сдвига Рь и начинается образовываться следующий элемент стружки.
Представления И.А. Тиме о процессе образования стружки скалывания были развиты К.А. Зворыкиным [2], который полнее, чем И.А. Тиме, учел силы, действующие в процессе резания, и дал аналитический вывод уравнения для максимальной силы резания. Он же, впервые, при помощи сконструированного им специального динамометра, провел эксперименты по определению зависимости силы резания от элементов площади сечения среза и установил факт различного влияния толщины и ширины среза на силу резания. К.А. Зворыкин показал, как теоретически можно определить направление плоскости скалывания, т.е. угол скалывания рь величину передвижения элементов стружки относительно друг друга и путь резания, соответствующий образованию одного элемента стружки (Рис.2).
Наблюдая сливные стружки, представляющие собой сплошные ленты, отдельные элементы которых не различимы, И.А. Тиме писал «.. .поэтому bLCK. здесь означает не постоянную площадь скалывания, а только направление плоскостей, в которых происходит последовательное сдвигание частиц». Из этого следует, что И.А. Тиме считал сливные стружки разновидностью стружек скалывания.
Образование сливной стружки, при отделении срезаемого слоя от основной массы детали, не сопровождается его разрушением в целом. Наоборот, в процессе стружкообразования разрыв происходит лишь в области, лежащей между вновь обработанной поверхностью и стружкой, внутри же сливной стружки имеют место только весьма значительные пластические сдвиги. Поэтому прочность стружки оказывается не только не меньшей, чем прочность обрабатываемого материала, но, как показывают опыты, даже большей. Как показал Н.Н. Зорев [3], зерна срезаемого слоя, проходя через зону вторичной деформации, деформируются исключительно сильно, степень деформации во вторичной зоне деформации может в 20 и более раз превышать среднюю деформацию стружки. Наличие зоны вторичной деформации приводит к неоднородности конечной деформации стружки по ее толщине. Размеры вторичной зоны деформации и степень деформации зерен материала в этой зоне определяются интенсивностью трения по передней поверхности. Чем меньше сила трения на передней поверхности, тем меньше размеры зоны вторичной деформации и интенсивность деформации. При уменьшении толщины срезаемого слоя, увеличении переднего угла и применении хорошо смазывающих жидкостей, размеры вторичной зоны деформации уменьшаются, и она становиться исчезающе малой. В этом случае степень деформации зерен стружки по ее толщине практически одинакова.
Стенд для исследования прочности адгезионной связи стружки с инструментом
Инвариантность удельной силы трения от температуры резания обусловлена образованием в заторможенных частицах обрабатываемого материала фрагментированных дислокационных структур (рис. 40, б). В этой связи зависимость qF от SB истинного напряжения при разрыве обусловлена вязким срезом частиц металла в зоне II (рис.36) при достижении в них предельной деформации с формированием здесь более мелких структур (рис. 35). Поэтому qF - это напряжения среза локальных объемов обрабатываемого материала в зоне И, в условиях высоких нормальных давлений (qN).
На рис.40, б приведена микрофотография дислокационной структуры приконтактного слоя стружки, свидетельствующая об интенсивной деформации локальных объемов металла.
Таким образом, трение при резании реализуется в условиях образования как вязкого среза заторможенных частиц обрабатываемого материала на участке деформационно-пластического контакта, так и фрикционного взаимодействия на участке упругого контакта по закону Амонтона-Кулона. В этой связи пластический контакт более правильно классифицировать, как деформационно-пластический, а средний коэффициент трения можно представить в виде двухчленного уравнения = д.п.+ в 0) где д,д а - деформационно-пластическая компонента трения; цв - компонента внешнего трения.
Величина \іД п определяется свойствами обрабатываемых материалов, определяется qN, а цв - фрикционными свойствами контактируемой пары. Учитывая, что на долю С приходится основная часть удельных нагрузок (Н.Н.Зорев), то средний коэффициент трения при резании в основном определяется н.дп.
Исследования экзоэлектронной эмиссии (рис.37), а также электронно-микроскопические и микроренгеноспектральные исследования механизма стружкообразования дают основания длину контакта С стружки по передней поверхности инструмента разделить на три зоны (рис. 36): зону I - деформационного упрочнения прирезцовых слоев обрабатываемого материала без их затормаживания; зону II - пластического контакта (вследствие затормаживания прирезцовых слоев стружки при TS= ац/2); зону III - фрикционного контакта стружки с передней поверхностью инструмента. Такая классификация общей длины контакта стружки с передней поверхностью истру-мента отличается от имеющихся классификаций и основывается на следующем: измерения микротвердости подошв наростов (рис. 19, 24, 30) показали, что она всегда максимальна в начальной области подошв, иначе говоря, принципиальным отличием формирования зоны I является то, что ее образование происходит без фрикционного взаимодействия между прирезцовыми слоями стружки и инструментом (рис. 35 ).
На рис.37, а приведен характер изменения \х по длине контакта, полученный в условиях моделирования процесса резания численным методом
а) зависимость коэффициента трения ц (1), температурив (2) и интенсивности экзоэлектронной эмиссии J (3) по длине контакта стружки с инструментом. Сталь 45; V = бОм/мин, а = 0,2 мм; б) шлиф стружки с инструментом (х 5000) [118] резцом с укороченной передней поверхностью. Инструмент с острой режущей кромкой быстро изнашивается, в результате образуется фаска износа с отрицательным задним углом. Учет реальной геометрии (формы) инструмента при исследовании контактных напряжений оказывается особенно актуальным, т.к. при этом, как показываютисследования корней стружки (рис. 37, б), вблизи режущего лезвия образуется полость (указано стрелкой), поэтому трение отсутствует. Отсутствие плотного контакта в окрестности режущего лезвия отмечали и другие исследователи (Н.Н. Зорев).
В работе [181], М.И.Клушин с сожалением констатировал:«... нарушение сплошности материала, т.е. разрыв с образованием новых поверхностей или появление трещин, не получило отражение в существующих эпюрах контактных напряжений». Приведенный характер распределения ц по длине контакта (рис.37), с максимумом \і на некотором удалении от режущего лезвия, полученный в условиях моделирования, указывает на механизм формирования элемента стружки. В частности, на прирезцовом слое стружки (вблизи режущего лезвия) напряжения ст22 являются растягивающими и создаются условия для нарушения сплошности.
Моделируя снижение \х по длине контакта стружки с инструментом до 0,1 ...0,3 выявлено, что нормальные растягивающие напряжения о22 U-Щ сни жаются до 600...900 МПа, а гидростатические напряжения в окрестности режущего лезвия являются только сжимающими (рис. 62). Очевидно, что такая обратная связь является одним из основных механизмов самоорганизации деформационных процессов, способствующих формированию сливной стружки с ростом скорости резания.
На рис. 37,а приведена также зависимость Тк температуры по длине контакта стружки с инструментом, полученная в условиях моделирования. Как видно, qK имеет максимум на некотором удалении от режущего лезвия. Сканограмма ЭЭЭ (рис. 37) с контактных поверхностей инструмента также указывает на максимум ЭЭЭ на некотором удалении от режущего лезвия. Проведенные металлографические исследования характера распределения частиц приварившегося обрабатываемого металла (рис. 35) после срыва нароста и характера начального изнашивания контактных площадок (рис.3 8), показывают, что наибольшая интенсивность адгезионных процессов реализуется на некотором удалении от режущего лезвия. В конце контакта стружки с инструментом, где осуществляется трение окисленных поверхностей из-за облегченного доступа туда кислорода воздуха, коэффициент \х уменьшается. Следует отметить, что снижение \і на участке III отмечали X. Чадрашекаран и Д. Капур
Температурные зависимости внутреннего трения Q-1 = f(0) (рис.39) объясняют причины максимума \i при температуре резания Э « 573К [166]. При указанной температуре резко возрастает подвижность углерода и дислокаций [179], что обусловливает увеличение пластичности в срезаемом слое. В результате є и С возрастают, qN уменьшается, а ц увеличивается. Поэтому увеличение \х при 8 » 573 К [166] связано с ростом пластичности металла. Уменьшение \х при б 573 К обусловлено снижением є, С и увеличением демпфирующих свойств граничного слоя.
Вихревой механизм отрыва частиц (изнашивания) инструментального материала в поверхностных слоях инструмента
Проведенные экспериментальные исследования механизма трения и адгезии при резании, предложенная гидродинамическая модель фрикционного контакта позволили разработать следующие механизмы смазочного действия СОТС при резании (рис. 59), которые рассмотрены с позиций электронно-дислокационного взаимодействия внешней среды с инструментальным и обрабатываемым материалом, предложена методология выбора состава СОТС.
Запасание AUd энергии упругой деформации в граничном слое (уравн. 11) активирует контактные поверхности и переводит их в более реакционное состояние. Причем механизм механо-химической активации контактных поверхностей существенно определяется условиями резания. При низких скоростях (температурах) резания, когда движение дислокаций ограничено [206] различными механизмами, например, за счет блокирования их атомами углерода, механизм механо-химической активации трущихся поверхностей является вакансионно-дислокационным.
Механо-химическая активация (рис. 61) приконтактных слоев стружки, реализующаяся по механизму диффузионной пластичности [207], сводится к следующему. Механические напряжения вызывают диффузию вакансий, обеспечивающих массоперенос (переползание) дислокаций и их выход на поверхность под действием сил изображения. Выход дислокаций на поверхность, сопровождается эмиссией электронов ЭЭЭ (рис. 37) и увеличением энергии атомов на поверхности. Рост эмиссионной способности контактных поверхностей обеспечивает переход компонентов СОТС в атомарное и ионизированное состояние [208]. Как указывалось выше, повышение реакционной способности компонентов СОТС достигается в результате уменьшения размеров входящих в нее реагентов (О, CI, S и т.д.). В итоге, смазочная способность СОТС будет в значительной степени определяться как реакционной способностью ее компонентов, т.е. их акцепторными свойствами (способностью присоединять электроны), так и обрабатываемых материалов - донорными свойствами (размерами пустот).
С ростом скорости резания механизм активации контактных поверхностей изменяется, а прочность адгезии Руд возрастает (рис. 55). Это связано с образованием объемов обрабатываемого материала, находящегося в квазижидком состоянии, что сопровождается взаимной диффузией атомов кон-тактируемых материалов на значительные расстояния с образованием белого слоя (рис.56).
Различие в механизмах активации поверхностей трения при резании обусловливает и различные механизмы адгезионного взаимодействия стружки с инструментальным материалом, а также с СОТС.
Электронно-микроскопическими исследованиями [118], а также исследованиями экзоэлектронной эмиссии (рис. 37) установлено, что энергетическое состояние контактных поверхностей инструмента после его заточки является неоднородным: имеются зерна карбидов с плотностью дислокаций р = 10-6 см-2, наряду с этим, выявляются зерна карбидных фаз без дислокаций. Поэтому в процессе резания запасание энергии упругой деформации AUd из-за повышения плотности дислокаций в зернах карбидных фаз происходит локально, а энергетическая, а следовательно, каталитическая и адсорбционная неоднородность контактных поверхностей будет при этом резко возрастает.
Как было показано выше, склонность к адгезии металлов, их донор-ная способность определяется электронным строением и размерами октаэдри 119 ческих пустот. Поэтому адсорбция компонентов СОТС на «активных» центрах, роль которых выполняют ядра дислокаций и электроны атомов с высокой энергией, препятствует ее развитию. При резании «активными» центрами являются, прежде всего, движущиеся дислокации в полосах скольжения деформированных материалов [118]. Оценка радиуса дислокационной трубки (rd » 0,5b, b - вектор Бюргерса) в металлах и карбидах показывает, что размеры дислокационной трубки в металлах меньше, чем окта-эдрические пустоты (табл. 3.2). В этой связи, «увлечение» дислокациями атомов (ионов) кислорода и других реагентов будет сопровождаться ростом упругих напряжений и их торможением, что вызывает рост внутренних напряжений в решетке и раскалывание зерен карбидной фазы (рис. 61, а).
В работе [209] приведены экспериментальные данные по теплоте адсорбции кислорода и углеводородов на различных металлах. Показана связь теплоты адсорбции с заполненностью d-орбиталей металлов: чем больше d-характеристика, тем выше Q - теплота адсорбции реагентов. На рис. 3.12 представлена зависимость теплоты адсорбции от d-электронов. По-видимому, Q теплота плавления будет определять прочность сцепления образующихся окислов с подложкой, а следовательно, их смазочное действие.
Адсорбция атомов внешней среды, наряду с электронным обменом с твердым телом, сопровождается также ростом работы выхода электрона [209, 210] и изменением плотности электронных состояний N(E) на уровне Ферми. Нарис. 58 показана [210] зависимость N(E) от приведенного потенциала ионизации J тугоплавких соединений, входящих в состав инструментальных материалов, либо используемых в качестве покрытий. Как N(E), так и J характеризует реакционную способность материалов. Поэтому по указанным характеристикам можно прогнозировать эффективность кислородосодержащих СОТС.
В табл.5 приведены значения [205] плотности N (Е) электронных состояний на уровне Ферми, вектора БюргерсаЬ, характеризующего подвижность дислокаций, а также э.д.у. [206] чистых металлов и тугоплавких соединений. Видно, что как в карбидных соединениях, так и в металлах с ростом плотности электронных состояний на уровне Ферми, либо э.д.у., вектор Бюргерса дислокаций увеличивается.
Гидродинамическая модель автоколебаний при резании
Осуществлялась запись силы резания Pz а также измерение коэффициентов укорочения KL и утолщения стружки Ка, длины контакта стружки с передней поверхностью инструмента С, удельных контактных напряжений на передней поверхности инструмента qN. Энергия деформации в прирез-цовых слоях стружки и в обработанной поверхности определялась по методике В.К. Старкова [182] на корнях стружек (Рис.69).
Анализ частотных составляющих сигнала акустической эмиссии при резании осуществлялся на основе спектрального разложения. Использовалась процедура быстрого преобразования Фурье. Программное обеспечение для получения сигнала и его анализа написано в программной среде Borland Delphi 3.0. Кроме того использованы специализированные пакеты «ЭВРИС-ТА 3.5», MatLab, «Statistica 6.0», позволяющие осуществить статистическую обработку данных, провести фильтрацию, оценить тренд, выполнить спектральный анализ.
Регистрация сигнала акустической эмиссии при резании позволяет получить информацию о явлениях происходящих как непосредственно в зоне резания, так и в упругой системе станка в целом. Исследования показывают, что с изменением характеристик упругой системы и увеличением износа режущего инструмента характер осциллограмм сигнала АЭ изменяется. Выявление и формализацию закономерностей ВЭ следует проводить исходя из теории обработки информации, и в частности, с использованием временных рядов. Типичный временной ряд складывается из четырех составляющих: - тренд, или систематическое изменение; - эффект "сезонности"; 148 - колебаний относительно тренда с большей или меньшей регуляр ностью; - "случайная", "несистематическая" или "нерегулярная" компонента При длительности осцилограмм в несколько миллисекунд тренд и эф фект "сезонности" проявляются за счет низкочастотных колебаний узлов стан ка. Наиболее информативными являются две последний составляющие, так как процессу резания сопутствуют колебательные (обусловленные стружкообразованием, образованием и срывом нароста) и случайные компоненты (неоднородность обрабатываемого материала, дефекты поверхности и т.п.)- Колебательные компоненты хорошо выделяются в спектральной функции и ее производной.
Необходимо отметить, что спектр получаемого сигнала АЭ содержит низкочастотные составляющие (0...10 кГц), мощность которых существенно больше составляющих обусловленных стружкообразованием. Поэтому при анализе спектрограмм важно избавиться от низкочастотных шумов, вносимых элементами станочной системы. Обычно для этого сначала снимают сигнал без полезной нагрузки и потом вычитают его из полезного сигнала. Этот путь в данном случае неприемлем, поскольку низкочастотный сигнал от элементов станочной системы проявляется только во время резания. Другой путь избавления от низкочастотных шумов заключается в том, что собственные частоты элементов станка можно было бы попытаться рассчитать аналитически и потом вычесть их из полезного сигнала. Неприемлемость этого подхода обусловлена тем, что частотный спектр нагруженного станка отличается от собственных частот элементов станочной системы, так как на собственные частоты станка существенно влияет процесс резания, приведенная масса и т.п. К тому же необходимо учитывать, что система резания представляет собой замкнутую нелинейную колебательную систему с собственной частотой, близкой, но все же отличной от собственных частот элементов станочной системы. Собственная частота системы также непостоянна. Так, во время колебаний резца при движении резца навстречу силе резания собственная частота системы резания отличается от частоты при движении резца в направлении силы резания, т.к. при этом меняется приведенная масса системы, ее жесткость. Может даже произойти отрыв резца от поверхности резания, что вообще размыкает систему и на какой-то момент её характеристики меняются коренным образом.
В связи с этим для удаления низкочастотных составляющих регистрируемого сигнала необходима апаратная фильтрация фильтром верхних частот с частотой среза =5 кГц, устанавливаемым сразу после первичного преобразователя (датчика) АЭ. Электронная техника позволяет реализовать поставленную задачу разнообразными способами как аналоговой (параллельные или последовательные анализаторы спектра, полосовые фильтры), так и цифровой техники.
После фильтрации определяется сглаженная оценка спектральной плотности с помощью спектрального окна Бартлета (ширина окна для используемой длины осциллограммы и требуемого разрешения по частоте равна 25). Частота стружкообразования в спектре выделяется по наибольшему пику (Рис.116, 184). При исследовании частота стружкообразования определяемая по спектру сопоставлялась с измеренной по стружке.
Для повышения устойчивости оценки спектра (повышения надежности определения частоты стружкообразования) производится усреднение по времени. То есть, определение частоты стружкообразования в определенный момент времени производят по трем осциллограммам, снятым одна за другой.
Были проведены экспериментальные исследования по диагностике состояния УСС и инструмента при резании на автоматизированном станочном оборудования. Исследования проводились с помощью анализаторов спектра СК4-56, СК4-59 и специального параллельного анализатора с полосой пропускания 0...1,0 МГц; а так же с помощью цифрового двухканального запоминающего осциллографа С9-8, состыкованного через интерфейс КОП с персональным компьютером типа IBM PC/AT, а впоследствие с двухка-нальным аналогово-цифровым преобразователем ЛА-нЮ, устанавливаемым в слот компьютера.