Автоматизация и управление процессом стружкодробления обрабатываемого материала аустенитного класса при предварительном криогенном воздействии Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ТЕХНИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА ПРОИЗВОДСТВА

УДК 621.9.014.8

Автоматизация и управление процессом стружкодробления обрабатываемого материала аустенитного класса при предварительном криогенном воздействии

О. И. Горбунов, В. В. Максаров, Ю. Ольт

Ключевые слова: предварительное воздействие, заготовка, лезвийная обработка, сталь аустенитного класса, станок-автомат, станок с ЧПУ.

В настоящее время можно выделить широкий класс изделий машиностроения, автоматизация и управление механической обработкой которых требует особого подхода при решении задач по повышению эффективности процесса резания. К данному классу относятся прежде всего изделия из коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов с аустенитной структурой, обрабатываемые на высокопроизводительном автоматизированном оборудовании.

С технологической точки зрения в процессе резания желательно иметь сливную стружку, поскольку она является показателем устойчивости технологической системы, обеспечивает высокое качество обработанной поверхности и гарантированную стойкость инструмента, что особенно важно при автоматизации этого процесса. В реальных условиях обработки заготовок образование сливной стружки соответствует очень узкому диапазону состояния технологической системы в процессе резания, который не всегда совпадает с рекомендуемыми режимами резания и стойкостью инструмента для обеспечения необходимой производительности [1, 2].

Следует также отметить, что сливная стружка существенно затрудняет эксплуатацию технологического оборудования, работающего в автоматизированном цикле, приводит к преждевременному износу и авариям станков и приспособлений, может стать причиной травм у обслуживающего персонала, затрудняет процесс комплексной механизации и автоматизации уборки стружки и ее последующей переработки. Таким образом, формирование отрезков стружки заданной длины является одной из важнейших задач в области лезвийной обработки. Особую актуальность задача управления процессом струж-

кодробления приобретает при обработке изделий на станках-автоматах, станках с ЧПУ и использовании манипуляторов.

Одним из наиболее эффективных методов, позволяющих надежно управлять процессом дробления сливной стружки при чистовой и получистовой обработке, является создание предварительного локального криогенного воздействия (ЛКВ) на внешней поверхности срезаемого слоя, осуществляемого по определенным законам. Особенность процесса точения заготовок, подвергнутых такому воздействию, заключается в периодическом изменении условий резания по сравнению с исходными. Данный метод дает возможность обеспечить автоматизацию и управление процессом стружкодробления, совершенствуя технологию механической лезвийной обработки с учетом широкого диапазона материалов и режимов резания.

Преимуществом данного метода является повышение эффективности лезвийной обработки на станках-автоматах и станках с ЧПУ за счет автоматизации и управления процессом стружкодробления на основе предварительного ЛКВ на обрабатываемый материал.

Для достижения этой цели в условиях ЛКВ на обрабатываемый материал требуется решить следующие задачи:

• исследовать кинематические характеристики процесса точения;

• разработать способ и устройство для осуществления процесса точения;

• разработать динамическую модель технологической системы с учетом реологических особенностей стружкообразования и с использованием явления фазового перехода в металлах при ЛКВ для оценки стабильности и надежности сегментирования и дробления стружки в области неустойчивого процесса резания;

• создать программный комплекс для управления процессом стружкодробления на основе рассматриваемого метода и алгоритмы для автоматизации выбора способа и параметров этого воздействия.

Теоретические и экспериментальные исследования в области механической обработки металлов резанием позволили глубже понять многие явления в их взаимосвязи и тем самым способствовали совершенствованию технологии обработки металлов. При выполнении анализа работ, посвященных изучению процессов стружкообразования и сегментированию стружки в технологической системе механической обработки резанием, было установлено влияние методов и способов дробления стружки в ходе токарной обработки на основные физические закономерности процесса резания. В связи с этим были рассмотрены фундаментальные исследования в данной области, выполненные отечественными и зарубежными учеными, которые позволили сделать вывод, что решение вопроса об управлении процессом стружкодробления при обработке резанием имеет большое практическое значение, поскольку позволяет автоматизировать его на станках-автоматах и станках с ЧПУ, а также повысить производительность труда, культуру производства и снизить затраты на последующую транспортировку и переработку стружки.

Анализируя особенности механизма сегментации стружки, можно утверждать, что универсального метода, позволяющего качественно дробить ее, в настоящее время не существует. Однако на основе предложенной классификации методов и способов стружкодроб-ления выявлены наиболее перспективные из них. К ним относится метод предварительного ЛКВ на обрабатываемую поверхность срезаемого слоя заготовки.

Данный метод позволяет осуществлять управление процессом стружкообразования на этапе обработки металлов резанием без значительных изменений в технологической системе и дополнительных источников энергии. Сущность метода предварительного ЛКВ на обрабатываемую поверхность заготовки заключается в том, что в поверхностном слое материала заготовки ограниченной глубины остаточный аустенит переходит в мартенсит. Это приводит к перегруппировке атомов из одной аллотропической формы в другую, то есть к искажению кристаллической решетки, образованию внутренних напряжений, изменению твердости и объема материала в локальной зоне воздействия.

Рис. 1. Схема расположения локальной мета-стабильности в обрабатываемом материале относительно движения режущего инструмента:

Нт — ширина ЛКВ; Ьт — глубина ЛКВ; Фр — направление движения резца; т — метастабильность; 1 — зона ЛКВ

Локальная метастабильность, оказывающая влияние на реологические параметры процесса стружкообразования, создается в области предполагаемого припуска срезаемого слоя материала на внешней поверхности заготовки (рис. 1) [3]. Поскольку при криогенной обработке не все материалы подвержены фазовым превращениям, была использована методика определения фазового состава сталей, который позволяет оценить степень воздействия холодом на обрабатываемую поверхность на основе наиболее распространенной структурной диаграммы А. Шеффлера (рис. 2).

30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2

2 4 6 8 1012 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

ЕСг

Рис. 2. Структурная диаграмма А. Шеффлера:

М — мартенсит; у — аустенит; а — феррит. Пунктирные линии отграничивают зоны с определенным процентным содержанием металла; О — зона устойчивого отделения отрезков стружки; Ш — зона неустойчивого отделения стружки; Ш — зона невозможности отделения стружки

№ 3 (51)/2009

49

Для того чтобы определить местоположение стали на диаграмме, подсчитываются ее аустенитообразующие и ферритообразу-ющие £сг эквиваленты:

Ещ. = %№ + 30 • %С + 0,5 • %Мп; ЕСг = %Сг + 1,5 • %!31 + 0,5 • %МЪ + %Мо + + 0,8 • %У.

В последующем, при лезвийной механической обработке, режущая кромка инструмента пересекается с зоной локального криогенного воздействия в плоскости резания. Зона локального криогенного воздействия, находясь в метастабильном состоянии по сравнению с основным металлом, создает мгновенное изменение напряженно-деформированного состояния с последующим отделением отрезков стружки от обрабатываемого материала. При этом необходимо совместить обеспечение устойчивости процесса резания и получение отрезков стружки рациональной длины. Длина отрезков прямой стружки Ьп, мм, которая образуется при пересечении зоны локального физического воздействия плоскостью резания, регламентируется в соответствии с ГОСТ 2787-75 и определяется по формуле

Ьп = (гс£зПз)/(б0/у;),

где Дз — диаметр заготовки, мм; пз — частота вращения заготовки, об/мин; fm — частота пересечения плоскостью резания зон локального криогенного воздействия, Гц; т — мета-стабильность; — коэффициент продольной усадки стружки. Длина отрезков витой стружки Ьв, мм, образующейся при точении заготовок, предварительно подвергнутых ЛКВ, определяется по формуле

Ьв = (Ьп^с)/Мс),

где Нс — шаг витка стружки, мм; dс — диаметр витка стружки.

Разработана математическая модель технологической системы обработки заготовки, подвергнутой предварительному ЛКВ. При управлении процессом стружкодробления методом предварительного ЛКВ следует обеспечить устойчивость технологической системы механической обработки. Последняя характеристика является необходимым условием эксплуатационной пригодности и главным динамическим критерием качества технологической системы. Для проведения качественного анализа динамических свойств технологической системы необходимо построить математическую модель системы, выбор схемы которой связан прежде

всего с выделением подсистем и выявлением структуры связей между ними, определением числа степеней свободы и вида обобщенных координат, необходимых для полного описания процессов, происходящих в рассматриваемой системе. Адекватный переход к модели малой размерности осуществляется исходя из ограниченности частотного диапазона возмущений и слабодиссипативных свойств технологической системы. Обоснование с учетом близости спектральных характеристик исходной и упрощенной модели проведено по методике д-ра техн. наук, проф. В. Л. Вейца [6-8]. Исходная и упрощенная системы считаются эквивалентными, при этом упрощенная модель является оптимальной, если выполняются два условия:

p(W, W^) < в; (1)

p(W, W^) = min p(W, W^), (2)

где W, — матрицы частотных характеристик, соответственно, исходной и упрощенной модели; p(W, W^ — матрица, задающая расстояние между W и W^; в — малая, наперед заданная величина допустимой ошибки.

На рис. 3 представлена четырехконтурная динамическая модель технологической системы механической обработки малой размерности с диссипативными характеристиками, учитывающими конструктивное демпфирование и реологические процессы рассматривае-

ß

m w

Mi

mx i

—э-s ßx

3

Рис. 3. Динамическая модель четырехконтур-ной технологической системы:

1 — оператор стружкообразования; 2 — подсистема «заготовка»; 3 — подсистема «инструмент»; х, у — оси инструмента; и, ш — оси заготовки; тх, ту, ти, тш, — приведенные инерционные параметры; рх, Р,

ßu, ßw — коэффициенты рассеивания энергии; c cu, cw — коэффициенты жесткости

У'

x, cy,

w

c

1

c

x

u

x

Рэп

Рис. 4. Реологическая модель стружкообразо-вания в процессе резания:

1 — подсистема «заготовка»; 2 — подсистема «инструмент»; х, у — оси инструмента; и, ш — оси заготовки; с, О, Р — квазиупругие и диссипативные коэффициенты (п — нормальные, т — касательные)

мой глобальной модели, которой соответствуют две подсистемы с четырьмя обобщенными координатами: а) подсистема «заготовка» с координатами и, ш; б) подсистема «инструмент» с координатами х, у.

Реологическая модель технологической системы механической обработки (рис. 4) учитывает как процесс первичной пластической деформации в зоне срезаемого слоя, так и процессы вторичной деформации и трения при движении стружки по передней поверхности режущего инструмента. Моделирование на основе кусочно-линейной аппроксимации процесса стружкообразования позволило сформировать основы для построения дифференциальных уравнений, описывающих динамические свойства технологической системы механической обработки. Исходя из этого, поведение выбранной динамической четырехконтурной модели в соответствии с принятой реологической моделью стружкообразования можно представить в векторно-матричной форме

Тд + Щд)д = 0,

(3)

где Т — диагональная матрица размера п х п; д — матрица (п х 1), вектор-функция обобщенных координат системы; К(д) — матрица размера п х п. В рассматриваемой модели п = 10, при этом число контуров п соответствует размерности модели.

Система дифференциальных уравнений, представленная в векторно-матричной форме уравнением (3), описывает динамические процессы в технологической системе механической обработки с учетом упругопластических свойств в динамике контактного взаимодействия инструмента с заготовкой и реологических особенностей процесса стружкообразова-ния в зоне активного пластического деформирования. В дальнейшем на основе полученной системы уравнений решаются задачи управления процессом стружкодробления.

Рассмотрены практические вопросы, связанные с управлением процессом стружкодроб-ления на станках с автоматическим циклом в условиях применения метода сегментирования срезаемого слоя металла и автоматизации выбора параметров локального криогенного воздействия в зависимости от исходной шероховатости заготовки и режимов резания при ее последующей обработке.

Обработка поверхности заготовки жидким азотом осуществляется на специально разработанной установке, которая приведена на рис. 5. На первом этапе к заготовке 1 подводится наконечник установки 2, установленный в резцедержатель станка, до соприкосновения контактного элемента 10 с поверхностью заготовки. Контактный элемент 10, изготовленный из войлока по профилю поверхности заготовки, обеспечивает одновременное

1

2

8

7

6

Рис. 5. Схема установки нанесения локального криогенного воздействия:

1 — наконечник; 2 — заготовка; 3 — термопара; 4 — электрический потенциометр; 5 — магнитный пускатель; 6 — низкотемпературный нагреватель; 7 — сосуд Дюара; 8 — переменное сопротивление; 9 — трубопровод; 10 — контактный элемент; 11 — зона ЛКВ

О

3

4

5

соприкосновение жидкого азота по всей необходимой длине ЛКВ. Термопара 3, расположенная во внутренней полости наконечника, подает сигнал на электрический потенциометр 4 с предельными контактами, который посредством магнитного пускателя 5 и переменного сопротивления 8 включает и регулирует работу низкотемпературного нагревателя 6. Изменяя температуру в полости сосуда Дюара 7, нагреватель обеспечивает подачу жидкого азота по трубопроводу 9 в зону наконечника установки. Таким образом при необходимости можно нанести одну или несколько зон ЛКВ на поверхность заготовки, в зависимости от ее диаметра и необходимой длины стружки.

Кроме получения отрезков стружки рациональной длины нужно обеспечить стабильность стружкодробления независимо от процессов, происходящих в технологической системе во время обработки заготовки, подвергнутой ЛКВ. При проведении качественного анализа динамического процесса в технологической системе при обработке заготовок с локальным воздействием использовалась динамическая модель (3) (см. рис. 3), в которой функция управления у, обеспечивающая введение в систему локального воздействия, реализована в виде условия

G1 при nT < t < nT + Ти; T = const, T = const;

G2 при nT + Ти < t < (n + 1)T; , T - T = Tm = const,

х, мкм 20

0

-20

i—i—i—i—|—i—i—i—i—|—i—i—i—i—|—i—i—i—i—|—i—i—i—г 50 100 150 200 250

мс

Рис. 6. Экспериментальные виброперемещения х, мкм, по нормали к обрабатываемой поверхности для подсистемы «инструмент» при лезвийной обработке заготовки из стали 45Х14Н14В2М, предварительно подготовленной методом криогенного воздействия, на станке модели 1К62; скорость резания У^ = 60 м/мин, подача резца Я = 0,1 мм/об, глубина срезаемого слоя Ьс = 0,8 мм

дическим комплексом в два этапа: сначала определяется целесообразность криогенного воздействия; затем производится расчет параметров криогенного воздействия и осущест-

Начало

I

Ввод параметров обработки: материал, V 8, ^

где &1, — параметры состояния, отражающие процесс стружкообразования в исходном материале и в зоне локального изменения свойств материала; Т — период локального воздействия; Ти — период резания в исходном материале; Тт — период резания в зоне локального воздействия; п — число локальных воздействий [3].

Расчетные виброперемещения для подсистемы «инструмент» при обработке заготовки в процессе ЛКВ, проводившиеся в области автоколебательного процесса, показали стабильность стружкодробления. Соответствующие экспериментальные исследования виброперемещений при обработке заготовки из стали 45Х14Н14В2М подтвердили правильность теоретической модели и доказали, что автоколебательный процесс не оказывает влияния на стружкодробление (рис. 6).

Автоматизация выбора параметров локального воздействия в зависимости от режимов обработки осуществляется программно-мето-

Конец

Рис. 7. Блок-схема алгоритма выбора параметров криогенного воздействия на заготовку при обработке на станке с ЧПУ

0

вляется процесс точения заготовки. При этом обеспечивается устойчивое отделение отрезков стружки в коррозионно- и жаростойких сталях с аустенитной структурой в условиях автоматизированной механической лезвийной обработки (рис. 7).

Для определения зависимости параметров криогенного воздействия от режимов резания последующей обработки, когда осуществляется стружкодробление различных материалов, были проведены эксперименты с учетом взаимного влияния режимных параметров на ширину и глубину ЛКВ. На основании повторных экспериментов выявлены границы области устойчивости дробления стружки в зависимости от параметров резания и времени (рис. 8). Анализ графиков показал, что расхождение экспериментальных и теоретических данных составляет не более 3 %. а)

ГЛКВ> с 35

30

25

20

0)

ГЛКВ> с

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2

Ь, мм

35 30 25 20 15

60 65

70

75

80 85

)

ГЛКВ> с 35

30

25

20

15

0

90 95

V, м/мин

0,05

0 07

0 09

0 11

0 13

0 15

Б, мм/об

Рис. 8. Границы области устойчивости дробления стружки в зависимости от параметров резания и времени ЛКВ: а — зависимость глубины резания от времени ЛКВ: Тдкв — время ЛКВ, с; Ь — глубина резания, мм; б — зависимость скорости резания от времени ЛКВ: Тдкв — время ЛКВ, с; V — скорость резания, м/мин; в — зависимость подачи от времени ЛКВ: Тдкв — время ЛКВ, с; Б — подача, мм/об

Выводы

1. Решение вопроса об управлении процессом стружкодробления при обработке резанием имеет большое значение, поскольку оно позволяет автоматизировать этот процесс на станках с автоматическим циклом работы и автоматических линиях, а также повысить производительность труда, культуру производства и снизить затраты на последующую транспортировку и переработку стружки.

2. Анализ технико-экономических показателей существующих методов и способов стружкодробления при чистовой лезвийной обработке сталей аустенитного класса на станках с автоматическим циклом работы и автоматических линиях показал, что наиболее эффективным является метод, обеспечивающий предварительное ЛКВ на поверхностный слой заготовки на первом этапе и процесс резания — на втором.

3. Разработан метод стружкодробления, основанный на использовании явления изменения упруго-диссипативных свойств в жаростойких и коррозионно-стойких сталях аусте-нитного класса при ЛКВ на обрабатываемую поверхность заготовки, позволяющий обеспечить при последующей обработке периодическое изменение условий резания по сравнению с исходным материалом. На основании полученных кинематических характеристик созданы устройства для предварительного нанесения линии ЛКВ.

4. Предложена обобщенная математическая модель процесса стружкообразования, позволяющая описать процесс с учетом упруго-пластических свойств в динамике контактного взаимодействия инструмента с заготовкой и реологических особенностей в зоне локального криогенного воздействия на обрабатываемый материал.

5. Предложена математическая модель технологической системы механической обработки, позволяющая описывать динамические процессы с учетом упругопластических свойств и реологических особенностей процесса стружкообразования при чередовании срезаемого слоя исходного материала и материала, подверженного ЛКВ, необходимая для анализа поведения технологической системы механической обработки в процессе сегментирования и дробления стружки.

6. Имитационное моделирование динамических процессов технологической системы механической обработки при ЛКВ позволило оценить влияние автоколебательного процесса на устойчивость сегментирования и дробления стружки. Теоретические и экспериментальные исследова-

0

ME

[АПШ

ния с использованием предложенных моделей подтвердили стабильное и надежное сегментирование и отделение отрезков стружки в области неустойчивого процесса резания.

7. Выполнен комплекс экспериментальных исследований в области параметров криогенного воздействия в зависимости от режимов последующей обработки для широкого диапазона материалов, позволивший получить методом нелинейной аппроксимации модель для определения оптимальных параметров ЛКВ при заданных режимах резания.

8. Разработаны и реализованы в виде программ для ЭВМ расчетные модели для автоматизированного управления процессом струж-кодробления на основе метода ЛКВ на обрабатываемый материал аустенитного класса и алгоритмы для автоматизации выбора способа и параметров ЛКВ.

Литература

1. Васильков Д. В., Вейц В. Л., Шевченко В. С. Динамика технологической системы механической обработки. СПб.: ТОО «Инвентекс», 1997. 230 с.

2. Вейц В. Л., Максаров В. В., Лонцих П. А. Динамика и моделирование процессов резания при механической обработке. Иркутск: РИО ИГИУВа, 2000. 189 с.

3. Вейц В. Л., Максаров В. В. Динамика и управление процессом стружкообразования при лезвийной механической обработке. СПб.: СЗПИ, 2000. 160 с.

4. Ганзбург Л. Б., Максаров В. В., Тимофеев Д. Ю. Процесс точения при предварительном локальном воздействии на обрабатываемый материал // Машиностроение и автоматизация производства: Межвуз. сб. Вып. 8. СПб.: СЗПИ,

1998. С. 87-94.

5. Ганзбург Л. Б., Максаров В. В., Тимофеев Д. Ю. Метод электроконтактного воздействия на труднообрабатываемый материал // Машиностроение и автоматизация производства: Межвуз. сб. Вып. 11. СПб.: СЗПИ, 1998. С. 92-97.

6. Васильков Д. В., Вейц В. Л., Максаров В. В. Моделирование процесса стружкообразования на основе кусочно-линейной аппроксимации // Академический вестник. Информатизация. Вып. 1. СПб.: ПИМаш, 1998. С. 16-21.

7. Вейц В. Л., Максаров В. В. Об упрощенной динамической модели технологической системы механической обработки резанием. Ч. 1: Общие положения // Машиностроение и автоматизация производства: Межвуз. сб. Вып. 17. СПб.: СЗПИ,

1999. С. 3-9.

8. Вейц В. Л., Максаров В. В. Об упрощенной динамической модели технологической системы механической обработки резанием. Ч. 2: Исследование параметрического влияния // Машиностроение и автоматизация производства: Межвуз. сб. Вып. 17. СПб.: СЗПИ, 1999. С. 10-17.

МЕТАЛЛООБРАБОТКА НА ОБРАБАТЫВАЮЩИХ ЦЕНТРАХ С ЧПУ

Изготовление деталей по чертежам заказчика. ^-Токарная, фрезерная обработка на станках с ЧПУ ' - и универсальных станках высокой точности. \ г , Доставка по России.

' .Я: ,

ГЕБПиГСЕ

ООО «РеСоурс»

Санкт-Петербург, ул.Курчатова, д.10 Тел.: +7 (812) 633 0882, 633 0052 Факс: +7 (812) 633 0809, 633 0053 E-mail: office@resource.com.ru www.resource.com.ru