Введение к работе
Актуальность темы. В процессе точения жаропрочных сталей и сплавов на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) при переходе от образования сливной стружки к образованию суставчатой стружки с увеличением контактных напряжений и температур преимущественным видом отказов твердосплавного инструмента из-за накопления повреждений становится разрушение режущих лезвий в виде выкрашиваний, микро- и макросколов, что приводит к повышенным инструментальным расходам, к существенному увеличению трудоемкости обработки, а также к потерям по браку и простоям дорогостоящего автоматизированного технологического оборудования. При этом оценка повреждений режущих лезвий затруднена отсутствием устройств и методов измерения системы геометрических параметров, необходимых при определении интенсивности и энергии разрушения лезвий твердосплавного инструмента. Эффективность обработки жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ в этих условиях обеспечивается прежде всего рациональным нагружением инструмента контактными нагрузкам, которое в свою очередь обуславливает использование управления процессами резания. Точение жаропрочных сталей и сплавов в условиях нестационарного резания связано, таким образом, с необходимостью разработки моделей и алгоритмов диагностики деформационных процессов и управления режимами резания с оперативным вводом соответствующих коррекций, реализация которых принципиально может быть обеспечена с использованием станков, оснащенных системами ЧПУ класса PCNC.
Цель работы. Повышение эффективности использования режущего инструмента на основе диагностики деформационных процессов в зоне резания и управления обработкой при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ.
На основании изложенного выше при выполнении диссертационной работы необходимо решить следующие задачи исследования:
-
Разработать систему измерений и регистрации параметров, а также модель разрушений лезвий режущего инструмента.
-
Исследовать процессы и взаимосвязь деформирования срезаемого слоя с нагружением инструмента системой силовых и температурных контактных нагрузок при изменении входных параметров процесса резания.
-
С использованием данных о величинах контактных нагрузок установить распределение напряжений, деформаций и температур в режущем клине твердосплавного инструмента. С учетом изменения параметров нагружения режущего лезвия в процессе нестационарного резания при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ дать оценку его работоспособности.
-
Установить схемы рационального силового и температурного нагружения элементов конструкций сборного инструмента и разработать инструмент повышенной работоспособности применительно к условиям нестационарного резания жаропрочных сталей и сплавов на станках с программным управлением.
-
Разработать систему определения параметров деформирования срезаемого слоя, модель и программное обеспечение диагностики процесса нестационарного резания, а также рациональные алгоритмы управления режимами резания с
оперативным вводом коррекций при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках, оснащенных системами ЧПУ класса PCNC.
Методы исследования. При выполнении работы использованы основные положения, методология и методы технологии машиностроения, теории резания и теории автоматического управления, теории конечных пластических деформаций, теории прочности, фрактографии и механики разрушений, вычислительной математики, компьютерного моделирования и программирования, математической обработки результатов экспериментов.
Научная новизна.
-
Установлено, что при точении жаропрочных сталей и сплавов с переходом от образования сливной к образованию суставчатой стружки изменяется характер повреждений и преобладающим видом отказов твердосплавного инструмента вместо изнашивания становятся микро- и макровыкрашивания, проявляющиеся в виде множественных усталостных и смешанных разрушений режущих лезвий. С использованием разработанной установки и метода лазерного сканирования в результате проведенных исследований получена модель формирования повреждений режущих лезвий и геометрических параметров - площади и объема повреждений, что позволяет определять интенсивность и энергию разрушений лезвийного твердосплавного инструмента в процессе точения жаропрочных сталей и сплавов.
-
С использованием положений теории конечных пластических деформаций научно обоснована, выдвинута и подтверждена результатами экспериментальных исследований гипотеза об условиях перехода от образования сливной к образованию суставчатой стружки при достижении конечных пластических деформаций удлинения в направлении формирующейся при резании жаропрочных сталей и сплавов текстуры стружки. Предложены математические модели и установлены параметры деформирования обрабатываемого материала в зоне резания, характеризующие условия этого перехода. Разработаны алгоритмы определения геометрических параметров формирующихся при этом элементов суставчатой стружки.
-
Создана кинематическая модель формирования суставчатой и элементной стружки при точении жаропрочных сталей и сплавов, что позволило схематизировать распределение напряжений, а также получить зависимости и соотношения величин параметров контактного взаимодействия в зоне резания и на рабочих поверхностях лезвий твердосплавного инструмента при его циклическом нагруже-нии в процессе формировании элементов суставчатой стружки.
-
Разработана модель и алгоритмы расчета напряжений в зоне резания и на лезвии режущего инструмента, позволяющие определять распределение контактных нагрузок на лезвии инструмента по данным о деформациях срезаемого слоя при точении. Результатами экспериментальных исследований подтверждено положение о том, что параметром, однозначно характеризующим величину и сочетание контактных нагрузок при точении, является кинематический относительный сдвиг, определяемый при резании через кинематическую усадку стружки.
-
Установлено, что при оценке прочности инструмента напряженное состояние режущего лезвия при точении жаропрочных сталей и сплавов в различ-
ных фазах формирования элементов суставчатой стружки описывается асимметричными циклами сложной системы напряжений. При этом работоспособность инструмента определяется кумулятивной функцией накопления повреждений Пальмгрена-Майнера, являющейся одновременно энергетической и вероятностной характеристикой прочности, а также удельным объемом и удельной работой разрушения лезвий твердосплавного инструмента.
6. Разработана модель и программно-аппаратное обеспечение, а также система диагностики и управления процессом резания на станках, оснащенных системами ЧПУ класса PCNC, обеспечивающие при деформировании срезаемого слоя с образованием суставчатой и элементной стружки стабилизацию силовых и температурных контактных нагрузок в процессе циклического нагружен ия режущего лезвия (в режиме „,„ = consf), что позволяет повысить работоспособность режущего инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
- разработаны методы и устройства для определения геометрических пара
метров повреждения лезвий режущего инструмента при его разрушениях, позво
ляющие прогнозировать интенсивность разрушений режущего инструмента при
точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ;
- реализована система оперативного измерения кинематической усадки
стружки в процессе нестационарного резания, позволяющая использовать данные
диагностики для стабилизации контактных напряжений и температуры на рабо
чих поверхностях лезвия инструмента при точении жаропрочных сталей и спла
вов на станках с ЧПУ;
созданы конструкции сборного режущего инструмента, обеспечивающие повышение его работоспособности за счет рационального силового и температурного нагружения сменных режущих пластин (СРП);
предложен программно-аппаратный комплекс диагностики и управления процессами деформирования срезаемого слоя при нестационарном резании, а также интерфейс оператора, включающий программные продукты для диагностики и ввода оперативных коррекций в режимы резания при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках, оснащенных системами ЧПУ класса PCNC.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались в период с 2005 по 2009 г.г. на: Международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири», г. Тюмень, 2005; Региональной научно - практической конференции «Новые технологии - нефтегазовому региону», г. Тюмень, 2005; Международной научно-технической конференции «Повышение качества продукции и эффективности производства», г. Курган, 2006; Международном форуме «Актуальные проблемы современной науки», г. Самара, 2006; Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», г. Новосибирск, 2006; Региональной научно - практической конференции «Новые технологии - нефтегазовому региону», г. Тюмень, 2006; Всероссийской научно - практической конференции «Инновационные технологии и экономика в машиностроении», г. Юрга, 2007; Международной научно - практической конференции «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении», г. Тюмень, 2008.
Исследования проводились при поддержке гранта Губернатора Тюменской области. Выполнение научных разработок отмечено в 2006 г. Дипломом победителя регионального конкурса научных работ по машиностроению.
Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены на предприятиях Тюменской области, а именно: ОАО «ТЮМЕНСКИЕ АВИАДВИГАТЕЛИ», ОАО «ГРОМ», а также ООО «Сибинструментсервис». При изготовлении деталей авиадвигателей и нефтегазового оборудования реализовано переоснащение токарных станков доработанными системами ЧПУ класса PCNC и диагностическими модулями. Диагностика ТС и оперативный ввод коррекций по режимам резания реализованы с использованием специализированного программно-аппаратного комплекса. При точении жаропрочных сталей и сплавов используются разработанные конструкции сборного инструмента и оперативное управление точением на станках с ЧПУ, что обеспечило наибольшую для конкретных условий эффективность обработки. Результаты исследований используются в учебном процессе ТюмГНГУ, а также в курсовом и дипломном проектировании на выпускающих кафедрах машиностроительного профиля.
Авторские разработки защищены патентами на изобретения: № 2309818, № 2311990, а также свидетельствами об официальной регистрации программ для ЭВМ: № 2007613348, № 2008610386, № 2008610388.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано с 2005 по 2009 г. в 17 печатных работах. В том числе 3 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений. Работа изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 132 наименований.
