CC BY
17
УДК 621.9.014.8: 621.9.015
В.В. Максаров
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ЗА СЧЕТ ЛОКАЛЬНОЙ МЕТАСТАБИЛЬНОСТИ
Обработка сложных изделий из труднообрабатываемых материалов сопровождается потерей устойчивости процесса резания, что ведет к возникновению автоколебаний, повышению интенсивности изнашивания режущего инструмента, снижение долговечности исполнительных механизмов станка и в конечном итоге ухудшает качество и точность обработки ответственных изделий [1—3, 8]. Разработка основ рекомендаций по снижению интенсивности автоколебаний в технологических системах механической обработки и соответствующего программно-алгоритмического обеспечения позволяет решить задачу автоматизации и управления процессом лезвийной механической обработки на станках типа С^ [4, 5].
В машиностроении можно выделить широкий класс изделий, 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 коррозийно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов, обрабатываемые на высокопроизводительном автоматизированном оборудовании. С технологической точки зрения желательно в процессе резания иметь сливную стружку, поскольку она служит 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 для обеспечения необходимой производительности режимами резания и стойкостью инструмента. Следует также отметить, что сливная стружка существенно затрудняет эксплуатацию технологического оборудования, работающего в автоматизированном цикле, является причиной преждевременного
износа и аварий станков и приспособлений, может вызывать травмы обслуживающего персонала, затрудняет процесс комплексной механизации и автоматизации уборки стружки и ее последующей переработки.
Формирование отрезков стружки заданной длины — одна из важнейших задач в области лезвийной обработки. Особую актуальность задача управления процессом стружкодробления приобретает при обработке изделий на автоматических станках, станках типа CNC и использовании манипуляторов. На рис. 1 представлены схемы практической реализации методов создания локальной метастабильности в обрабатываемом материале термическим способом воздействия.
На поверхности заготовки, подлежащей обработке, по специально заданной траектории создается локальная метастабильность материала в области предполагаемого припуска срезаемого материала при воздействии с глубиной Нт и шириной Ьт , что приводит к локальным изменениям структуры материала и образованию упруго-диссипативных свойств, отличных от свойстсв основного материала. Изменение свойств материала в зоне локального воздействия приводит к изменению напряжений а от деформации е. По кривым «напряжения — деформации» можно судить, что в исходной структуре материала и в зоне локального воздействия модули упругости Е отражают в первом приближении квазиупругие характеристики коэффициентов жесткости с и с1, которые имеют примерно одинаковый характер поведения и в зоне термического воздействия, и в последующих процессах формирования стружки, что отражают коэффициенты жесткости с2 и с1,, а также элементы демпфирования р2 и [4, 5].
При локальном термическом воздействии на материал заготовки происходит изменение механических свойств обрабатываемого материала: предела текучести ат, пределов проч-
Машиностроение. Металлургия и материаловедение -►
ности условного стЕ , истинного Бк и относительного 5 удлинения, а также коэффициента упрочнения кп . Это воздействует на технологическую систему и обусловливает периодическое изменение ее параметров.
С использованием метода локального воздействия и на основе четырехконтурной динамической модели при контактном взаимодействии подсистем заготовки и инструмента, отображенной многоэлементной реологической моделью стружкообразования [4, 5], выполнялось исследование поведения технологической системы в процессе механической обработки.
Реологическая модель технологической системы механической обработки 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 базу 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 удобно представлять в век-торно-матричной форме:
Tq + N (q )q = 0,
(1)
Рис. 1. Схема термического воздействия для создания локальной метастабильно-
сти в обрабатываемом материале: 1 — след локального воздействия; 2 — след плоскости резания; 3 — устройство локального воздействия
заготовок с локальным воздействием использовалась динамическая модель (1), в которой функция управления у , обеспечивающая введение в систему локального воздействия, реали-зовывалась уравнением
G при mTPm < t < (mTPm + TP), где TP = const, TPm = const; G2 при (mTPm +TP )< t <(m +1)),
где TPm -TP = Tm = COnst
v(G ) =
(2)
где q — вектор-функция размера п х 1 обобщенных координат системы; Т — диагональная матрица размера п х п ; N ^) — матрица размера п х п . В рассматриваемой модели п = 10 ; при этом число контуров п соответствует размерности модели.
Система дифференциальных уравнений (1) описывает динамические процессы в технологической системе механической обработки с учетом упругопластических свойств в динамике контактного взаимодействия инструмента с заготовкой и реологических особенностей процесса стружкообразования в зоне локального воздействия. На основе полученной системы уравнений в дальнейшем решаются задачи управления процессом стружкодробления.
Для проведения анализа динамического процесса в технологической системе при обработке
Здесь Ох { С1, с2, р2} и 02 { с/, е\, в2} — параметры
состояния, отражающие процесс стружкообра-зования в исходном материале и в зоне локального изменения свойств материала; ТРт — период локального воздействия; ТР — период резания в исходном материале; Тт — период резания в зоне локального воздействия; т — число локальных воздействий, которое в первом приближении определяется динамическими свойствами технологической системы и длиной витка стружки.
По методике, изложенной в работе [9], осуществлялось моделирование квазиупругих и дис-сипативных характеристик процесса стружко-образования в исходном материале Ох { сь с2, р2}
и в локальной зоне 02 {с/, с1,, в2}.
На элементы разделены выделенные фрагменты пластического деформирования и элемента стружки. Рассчитать перемещение внутренних узлов сетки для исходного материала и для выделенного фрагмента, отражающего
Рис. 2. Фрагмент изменения деформации е по сечению деформируемого материала при локальном термическом воздействии
локальное термическое воздействие для заданных перемещений, позволил метод конечных разностей на равномерной сетке (рис. 2).
Построить границу области устойчивости в плоскости параметров Ьс - при резании с предварительно подготовленной методом термического воздействия поверхностью заготовки (см. рис. 1) позволило решение системы уравнений (1) при реализации условий деформации и фазовых переходов (см. рис. 2), а также функции управления (2) по локальному пластическому воздействию.
Необходимо иметь представление о влиянии неустойчивого процесса резания на струж-кодробление при обработке заготовки, подвергнутой локальному термическому воздействию. Это связано с тем, что при токарной обработке в реальных условиях устойчивость технологической системы зависит от многих факторов, и изменение любого из них может привести к такому процессу.
Проанализировав осциллограммы, можно заявить, что автоколебательный процесс не оказывает влияния на устойчивость процесса стружкодробления, а локальное термическое воздействие не приводит к развитию автоколебательного процесса.
Проведены экспериментальные исследования виброперемещения для подсистемы инструмента по нормали к обрабатываемой поверхности заготовки из материала сталь 45 с локальным термическим воздействием на станке модели 1К62. Использовался специальный измерительный динамический стенд. Результаты подтвердили наличие устойчивого процесса резания и на-
дежного формирования стружкодробления в области неустойчивого процесса резания.
Теоретические и экспериментальные исследования поведения технологической системы станка при лезвийной обработке заготовок с локальным термическим воздействием показали, что асинхронное воздействие переменных составляющих квазиупругих и диссипативных параметров зоны термического воздействия, обусловленное различием структуры и механических свойств в основном металле и в локальной зоне, позволяет обеспечить дробление стружки широкого класса обрабатываемых материалов на отрезки заданной длины, что увеличивает производительность и точность механической обработки. Отклонения теоретически полученной границы области устойчивости (см. рис. 3) от построенной по экспериментальным данным составили 17—23 %. Отделение витков стружки длиной Хвит наблюдается при обработке заготовок с поверхностью, предварительно подготовленной методом локального воздействия. Как результат предложена принципиально новая динамическая модель технологической системы механической обработки с учетом реологических особенностей процесса стружкообразова-ния [9], позволившая исследовать динамические характеристики на основе инновационных особенностей технологии материалов с использованием программной среды LabVIEW как в области устойчивого процесса резания, так и в области автоколебаний (см. рис. 3).
Использование метастабильного свойства материала позволяет предложить новый метод управления процессом механической обработки
Машиностроение. Металлургия и материаловедение -►
Диаметр фр«ы 11б0 | Ко/мчество зу€ь«е |ю 1 глааиэйзад^>тол град
Гла&ъм угол в плане град
утоп наклона главней -
режущей I60
Обсроты игшделя
ГЪдачз, мм/к-я 200 250 ЭОО 15 >0
Г£««еде№ач масса по оси X м-г£*ееде»-нап масса по оси У ^
Приведенная масса по оси 2 от
по оси х |шоо Н^ Дз^мрук*^ коэфф«(иент по оси У рёда" Н>л
Деитф^лдий коэф^ижмт по оси 2 НЛ1
П»«еде+ия жесткостьпо оси Ч |2Е+7 Н"сД*
Г\»«ед**де жесшхтъ по ОСИ У Н*с/М жесткость по оси 2 |в500С* нЧ/м
Расчетные графики фаницы устойчивости для обычного материала и для материала с локальным физическим воздействием
УСТОЙЧИВО
ШШш
еусто Эчиво
ШШт
10 11 12 13 15
- .и т .:-' - : ш т:,-.*-*^' г.' ^ • ."..1 СТОПИНН ХЛХ»''!'! ' Т.'
столзс зэфеги»#лй д^тадио А РеО/ЙТИ VI Л1 Г . ПЫ И ■
мдг^ртга
#'■ Реолчичесгие кцгерилги
гсдаврг^гс«
'(. и " I
Рис. 3. Расчетные границы области устойчивости технологической системы механической обработки на основе инновационных особенностей технологии материалов с использованием программной среды LabVIEW
лезвийным инструментом на станках с CNC и рекомендации по автоматизации технологического процесса механической обработки на основе управления процессом стружкообразования.
Основные результаты работы:
1. Разработан метод, основанный на локальном воздействии на поверхность материала, которое приводит к изменению кристаллической решетки в локальной зоне — в ней образуются высокоэнергетические конфигурации и возникает повышенная метастабильность структуры. Все это позволяет обеспечить в процессе резания периодическое изменение условий обработки в локальной зоне по сравнению с исходным материалом.
2. Теоретические исследования периодических изменений параметров рассматриваемой системы, вызываемых локальным воздействием с частотой, значительно меньшей (в 50—100 раз) частоты собственных колебаний системы, позволяют обеспечить устойчивость системы при изменении частот локального воздействия и собственных колебаний в пределах технологически возможных диапазонов.
3. Низкочастотное параметрическое локальное физическое воздействие на потенциально
автоколебательную систему с частотой колебаний, значительно превышающей частоту воздействия, можно рассматривать как наложение на систему дополнительных вынужденных колебаний с частотой локального воздействия и амплитудой, равной разнице в величине статических сил резания, обусловленной различием механических свойств металла в рассматриваемых зонах.
4. На основе теоретических и экспериментальных исследованиий установлено, что один из эффективных методов, основанных на создании локальной структурной метастабильности на внешней поверхности срезаемого слоя обрабатываемого материала, реализуемый по определенным законам, позволяет надежно управлять процессом резания труднообрабатываемых материалов и обеспечить прогнозирование динамической стабилизации при обработке высокоточных изделий, что в свою очередь открывает возможности дальнейшего совершенствования технологии обработки в широком диапазоне материалов и режимов резания.
* Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 годы
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Максаров, В.В. Автоматизация и управление процессом стружкообразования при предварительном пластическом воздействии на обрабатываемый материал [Текст] / В.В. Максаров, Ю. Ольт.— СПб: Изд-во СЗТУ, 2008.— 217 с.
2. Maksarov, V. Materjalide Loiketeooria ja Loikurid [Текст] / V. Maksarov, J. Olt.— Tartu: Eesti Maaulikool,
2008.— 132 lk.
3. Olt, J. Tootearendus ja Toodangu Kvaliteet [Текст] / J. Olt, V. Maksarov. Tartu: Eesti Maaulikool, 2008.— 132 lk.
4. Максаров, В.В. Управление процессом многолезвийной механической обработки [Текст] / В.В. Максаров, Ю. Ольт.— СПб.: Изд-во СЗТУ,
2009.— 161 с.
5. Maksarov, V. Physical argumentation of deformation processes potential control while cutting heavily processed material [Текст] / V. Maksarov, J. Olt, T. Laatsit, T. Leemet // 6th International DAAAM Baltic Conference «industrial engineerung».— 24—26 April 2008.— Tallinn, Estonia.— S. 263-268.
6. Maksarov, V. Methods of preliminary local physical action on the workable surface of the blank [Текст] / V. Maksarov, J. Olt // 7th International Scientific Cofe-rence. «Engineering for rural development».— 29-30 May, 2008.— Jelgava, Latvia.
7. Maksarov, V. Increase in the stability of technological system with control of the process of the cutting [Текст] / V Maksarov, J. Olt, T. Leemet // international science conference of material science and manufacturing technology. — 26-27 June 2008.— Prague, Czech Republic.— S. 1-5.
8. Максаров, В.В. Управление процессом струж-кообразования методом предварительного локального пластического воздействия на обрабатываемую поверхность заготовки [Текст] / В.В. Максаров, Ю. Ольт // Известие вузов. Машиностроение.— 2008, № 6.— С. 45-51.
9. Maksarov, V. Analysis of the rheological model of the process of chip formation with metal machining [Текст] / V. Maksarov, J. Olt // Engineering of Agricultural Technologies.— 17-20.09.2008 , Kaunas, Lithuania.— S. 249-253.
