Разработка эволюционной модели изнашивания режущего инструмента для управления процессом обработки Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОСТРОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХ. И ФИЗ.-ТЕХН. ОБРАБОТКИ

УДК 621.91.02

В.В.ПОСТНОВ, А.А.ШАФИКОВ

РАЗРАБОТКА ЭВОЛЮЦИОННОЙ МОДЕЛИ ИЗНАШИВАНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОБРАБОТКИ

Проведен анализ изменения состояния режущего инструмента с учетом технологической наследственности. Предложены эволюционная модель изнашивания режущего инструмента и система управления энергетическим состоянием зоны резания, позволяющая обеспечить заданный уровень интенсивности износа инструмента путем целенаправленного изменения механической и тепловой составляющих уравнения энергетического баланса. Нестационарность резания; энергетический баланс; износ инструмента

ВВЕДЕНИЕ

Применение современных станков с компьютерным управлением движением исполнительных органов позволяет существенно сократить вспомогательное время, в результате чего себестоимость и производительность механообработки в значительной степени определяются эффективностью процесса резания. Параметры процесса резания в процессе обработки меняются, поэтому возникает необходимость поддержания режимов резания на некотором оптимальном уровне. Эта задача может быть успешно решена путем применения адаптивных систем управления (АдСУ), позволяющих в процессе самоорганизации приспосабливаться к изменяющимся условиям обработки с целью получения наилучшей характеристики процесса резания. Термин «самоорганизующаяся система», как известно, был введен У. Р. Эшби в 1947 г. В настоящее время это понятие определяется как способность системы к стабилизации некоторых параметров посредством направленной упорядоченности своих структурных и функциональных отношений с целью противостоять энтропийным факторам среды. При этом необходимо знать физические закономерности самого управляемого процесса, чтобы обеспечить задачу синтеза системы управления. Кроме того, обеспечение надежности и эффективности процесса механообработки является невозможным без информации о текущем состоянии режущего инструмента. На сегодняшний день имеется ряд методов, позволяющих оценить со-

стояние режущего инструмента и его износ по косвенным параметрам [1]. При этом наибольшее распространение получили методы измерения интенсивности износа на основании анализа сигналов акустической эмиссии и виброакустических сигналов, электропроводимости контакта «инструмент - деталь», анализа постоянной и переменной составляющих термоЭДС, мощности привода главного движения, силы резания.

1. СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ФАКТОРОВ,

ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ НЕСТАЦИОНАРНОСТЬ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

В реальных технологических процессах многообразие зависимостей входных и выходных параметров сводится к некоторой системе линейных дифференциальных уравнений, в которых в качестве входных переменных используют технологические параметры ( ... ) и их первые производные

( ,...).

Для системного анализа факторов, определяющих нестационарность процесса резания, предлагается их классификация на основе структурной схемы процесса резания как объекта управления. Входные параметры можно разделить на управляемые и неуправляемые. Выходные параметры являются результатом взаимодействия входных и внутренних параметров системы в процессе контактного взаимодействия в зоне обработки. Рассмотрение процесса резания как объекта управления позволяет разделить нестационарность на внешнюю, определяемую изменением во времени

Контактная информация: (347)273-05-26

входных параметров, и внутреннюю, связанную с изменением физического состояния зоны контакта инструмента с деталью (рис. 1).

В качестве управляемых параметров можно выделить элементы режима резания ( ), геометрию ( , , ) и конструктивные

параметры режущего инструмента, а также скорости изменения технологических параметров ( ) во времени. К наблюдае-

мым (но неуправляемым) входным параметрам можно отнести изменения физико-механических параметров состояния заготовки и инструмента, форму обрабатываемой поверхности (торцевая, коническая, винтовая). К ненаблюдаемым — колебания глубины резания , связанные с изменением припуска на обработку в связи с погрешностями формы заготовки, а также возможные изменения скорости , толщины среза , геометрии , инструмента, связанные с погрешностью установки и параметрами жесткости технологической системы.

Внутреннюю нестационарность процесса резания условно можно разделить на необратимую, связанную с износом инструмента Л(т), изменениями в структурно-фазовом и прочностном состоянии приконтактных слоев режущей части инструмента и заготовки, и обратимую, в основном периодически повторяющуюся, связанную с особенностями протекания контактных процессов в зоне обработки: закономерно-периодическими падениями напряжений на границах поверхностей сдвигов, изменением формы и положения зоны сдвига, явлениями образования и срыва нароста и т. д.

К области выходных параметров процесса резания можно отнести подмножество технологических параметров, таких как производительность, надежность, экономичность обработки в пределах, обеспечивающих требуемые характеристики качества обработанных поверхностей и точности изготовления детали. Кроме этого, в качестве самостоятельных контролируемых выходных параметров процесса резания рассматриваются температура 0 или термоЭДС резания Е, сила резания Рг, амплитудно-частотные характеристики, размерная стойкость инструмента ( и т.д.), образующие подмножество (Фт) физических выходных параметров. Следует отметить, что комплекс параметров (Фт) в конечном счете, в зависимости от вида целевой функции, критериев оптимизации и накладываемых ограничений, определяет комплекс технологических выходных пара-

метров процесса резания как операции технологического процесса [1].

2. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ КОНТАКТНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ МЕХАНООБРАБОТКЕ

Состояние термодинамической системы, которой в общем случае является зона контакта инструмента с обрабатываемой деталью, может быть задано с помощью ряда параметров: действующих касательных тр и нормальных стр напряжений, фактической площади Аг контакта, температуры 0 и т. д. [2]. Состояние, в котором параметры этой системы различны в разные моменты времени или в разных точках (координатах), называется неравновесным. Для таких состояний характерны градиенты макроскопических параметров (0, ст, Аг и т.д.). Все реальные процессы в зоне фрикционного контакта являются неравновесными, поскольку протекают со скоростями, большими скорости релаксации ю„, и лишь в определенных температурно-скоростных условиях могут приближаться к равновесным.

Традиционная запись энергетического баланса процесса механической обработки металлов в интегральной форме

(1)

не учитывает непрерывный параллельно-последовательный переход затраченной энергии резания Шр в тепловую <^р и другие виды энергии . В связи с этим он не может служить основой для понимания (анализа) общих закономерностей динамики реализации данных процессов и возможных путей их оптимизации для решения технических задач. Тепловые явления при резании материалов являются следствием физических закономерностей протекания процессов упруго-пластического деформирования, трения и разрушения в зоне структуро- и формообразования, которые согласно современным представлениям [2] имеют неравновесный динамический характер энергетических превращений.

Такой необратимый динамичный процесс, как резание, при переменных во времени условиях нагружения целесообразно описывать, используя принципы термодинамики неравновесных процессов [3] с помощью так называемых диссипативных функций ^ энергии, затрачиваемой на какой-либо процесс (например, пластическое течение обра-

Скорость

Подача

Г лубина

Г еометрия инструмента

Нестационарность

Внешняя

1

Внутренняя

I

Управляемые Наблюдаемые Ненаблюдаемые Обратимая

параметры параметры параметры

Торцевая

поверхность

Коническая

поверхность

Винтовая

поверхность

Окна, отверстия

- Твердость детали

Твердость

инструмента

- Колебания припуска

|- Жесткость СПИЗ

Наростообразование

Смена вида трения

Гистерезис силы резания и толщины среза

Необратимая

Структурнофазовые

превращения

Уровень и градиент © и о,

Рис. 1. Классификация видов нестационарности процесса резания

батываемого материала) и отнесенной к единице фактической площади контакта.

Ф =

1 сій 1 А2 сіт

- йС,Лі - V

(2)

где 0 — температура контакта, К;

г}<!- 1 Я С •

= Т" ■ 17 — удельная скорость изменения энтропии системы.

Диссипативную функцию можно также определить как произведение термодинами-

ческой (обобщенной) силы щенного потока

Ф; = ./; ( До";

-А (Ті

обоб-

(3)

Представление о диссипативных структурах как открытых системах, формирующихся в процессе обмена веществом и энергией с окружающей средой, введено Г. Николисом и И. Пригожиным [4]. Движущей силой явления самоорганизации диссипативных структур является стремление открытых систем при нестационарных процессах к снижению производства энтропии. Катастрофического износа и разрушения контактных поверхностей инструмента не будет происходить, пока система «инструмент-деталь» способна освобождать себя от той энтропии, которую она вынуждена производить в процессе диссипации подводимой к ней механической энергии.

Большинство экспериментальных работ [3,5,6] показывают, что механическая внешняя энергия , подведенная к зоне контакта резца с деталью, затрачивается на энергию деформации обрабатываемого материала в зонах стружкообразования и трения по передней и задней поверхностям инструмента, а также на изменение внутренней энергии контактирующих материалов.

Энергия деформации трансформируется затем в тепловую энергию , рассеиваясь в стружку, деталь, резец и окружающую среду. Изменение внутренней энергии АЩ в зоне фрикционного контакта в основном складывается из энергии диспергирования и формоизменения изнашиваемого инструмен-

та, а также из энергии , накопленной в поверхностном слое обрабатываемого материала [6], энергии структурно-фазовых превращений Аиз и т. д.

К сожалению, в настоящее время не существует точных аналитических выражений, которые описывали бы все перечисленные процессы диссипации энергии. Кроме того, согласно данным [3, 6], такие составляющие, как А ис-, А Лэ не превышают 1% от затраченной энергии .

Таким образом, в первом приближении изменение внутренней энергии термодинамической системы «резец-деталь» можно представить как энергию, затраченную на формоизменение (изнашивание) инструментального материала, а первый закон термодинамики (закон сохранения количества энергии) для процессов трения и изнашивания при резании записать в дифференциальной форме, как уравнение баланса диссипативных функций:

1 сПУр _ 1 т?

Агсі сіт Агр сіт

Агр сіт

(4)

Используя закономерности теории резания, кинетической теории прочности и пластичности, механохимии и физической кинетики, можно конкретизировать основные составляющие уравнения баланса ДФ и записать уравнение общего энергетического ба-

и

ланса

1 (г<щ

Ь (/гз + с) \ с1,т

Рг V I =

= ^ • 10°рсАвм (1 — тп) Иве'

N

3(1 + ц) ст^п 1Ё

(Иъ'л , .

~Т> (5)

ат

где Ь — ширина срезаемого слоя; Л3 и с — длины контакта резца со стружкой и деталью по задней и передней поверхностям инструмента; / — путь резания; Рг — сила резания, V — скорость резания; р, с — соответственно плотность и удельная теплоемкость материала детали; Л# — толщина термопластически деформированного слоя материала детали; — приращение модифицированной температуры; т — коэффициент температурно-скоростного упрочнения материала детали в контактной зоне; п’ — константа, связанная с длиной свободного пробега дислокации; Р — число дислокаций, приходящихся на единицу степени пластической деформации; е’ — скорость деформации; — число воздействий, приводящих к отделению частицы износа; и — коэффициент Пуассона и модуль упругости инструментального материала; — напряжение, обеспечивающее локальные сдвиги в объеме деформируемого слоя.

Уравнение (5) связывает текущее значение износа Кл и скорость его изменения ^ с величиной и скоростью изменения силы резания , приращением температуры, а также элементами режима обработки, которые являются управляющими параметрами.

Известны [1] методы и системы управления температурными и силовыми координатами процесса резания с целью обеспечения размерной точности обработки и стойкости инструмента.

Таким образом, появляется принципиальная возможность управления интенсивностью износа инструмента путем целенаправленного изменения механической и тепловой составляющих уравнения энергетического баланса, в том числе — за счет выбора не только оптимальных сочетаний V, в, ¿, но и скоростей их изменения. Уравнение (5) является эволюционной моделью изнашивания режущего инструмента, поскольку связывает зависимость скорости изменения фаски износа с ее текущим значением , как в явном виде, так и косвенно через значения приращения силы Рг и температуры Д0 резания.

3. АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА С УЧЕТОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Сложность и недостаточная изученность физических процессов, происходящих в зоне обработки с учетом многообразия выходных параметров и факторов влияния на них, не позволяют на сегодняшний день построить замкнутую количественную модель процесса взаимодействия инструмента и заготовки. Однако настоятельная потребность разработки управляемых технологий резания обуславливает необходимость создания феноменологических моделей, отражающих основные закономерности протекающих в зоне резания энергетических процессов и их влияние на выходные параметры обработки, в том числе — на износ режущего инструмента.

Одним из фундаментальных понятий механики разрушения является понятие о некоторой безразмерной функции поврежденно-сти (ФП), физически связанной с процессами накопления и взаимодействия дефектов в твердом теле и численно равной отношению дефектной части материала к его исходному состоянию. При достижении критического значения функции поврежденности происходит полная потеря несущей способности материала. Очевидно, что ФП является функцией физических свойств материала анализируемого элемента технологической системы и условий воздействия на него.

Общее соотношение, описывающее изменение поврежденности материала в процессе его эксплуатации, представляется в виде

т+Дт

/1кР > Ы(т) = Ъг + / </([/,;, г) йт,

(6)

где — критическое значение поврежден-ности;

— значение накопленной (текущей) по-врежденности;

, — интенсивность изменения по-

врежденности в момент времени , зависящая от совокупности энергетических факторов воздействия на материал ( , механическая нагрузка, физико-химические свойства).

В общем случае, возможно, имеет место зависимость

■V10

-5

0,5

0,4

0,3

0,2

од

С )

//

\\ /<А /<>

\\л~

770 870 970 1070 1170 1270 1370

0,К

Рис. 2. Сопоставление расчетных и экспериментальной температурных зависимостей интенсивности износа резца ВК8 при точении сплава ХН73МБТЮ (5 = 0,11 мм/об, I = 0,5 мм): О — = 0; Д — кз = 0,2 мм; □ - Лз = 0,35 мм;

О — Лз = 0,5 мм; V — кз = 0,6 мм

из которой следует, что величина энергетического воздействия на материал зависит от его поврежденности (принцип технологической наследственности, приспосабливаемое™ и изменчивости) и соотношение (6) представляет собой интегро-дифференциаль-ное уравнение, а в общем случае — систему уравнений. С физической точки зрения уравнения (6) и (7) феноменологически описывают процесс накопления дефектов в материале при различных видах нагружения, в том числе — нестационарном, а его общий характер позволяет использовать соотношение (6) при решении широкого круга практических задач управления состоянием деформируемого материала.

Таким образом, использование соотношения (6) в сочетании со структурно-энергетическим анализом контактных процессов создает методические предпосылки для управления и диагностирования поврежденности посредством регистрации компонент энергетического баланса процесса обработки. Однако ключевым вопросом построения обобщенной феноменологической модели, отражающей данные закономерности, является использование математических соотношений, определяющих вид зависимости .

Для изнашиваемой задней поверхности инструмента уравнение общего энергетического баланса (6) можно записать в виде

1 с1

ыГ1~^= п'10 о/г-, ат V т.„

т

т

Ь-(1.

А

%■

ЛИфЖц, (8)

откуда

Л =

ИфЛ'ц

■¿СРУ) Ы 1 п6 Хрс (1 - т

— • 10°

Б т

Ы>,3

ко /о ■ В соя а

тп

Х Нл

2^Г,

гА0,

(9)

Результаты расчета зависимостей ^(0) по уравнению (9) в сравнении с экспериментально полученными значениями показывают (рис. 2) не только качественную, но и достаточно хорошую количественную сходимость, что позволяет сделать заключение об адекватности термодинамической модели реальным условиям резания.

Поскольку ^ = ^3/(ц, -Рз = ' ЬЬ, грех.

— изменение теплосодержания приконтактных слоев обрабатываемого материала, для случая обработки с постоянными значениями и выражение (9) можно записать относительно приращения фаски износа

Д/г., =

к)

я' к

ИфЖд

л

АНТ ,

С-г!-------ат .

ИФЩ

(10)

То

т. е. приращение износа является разностью функционалов силовой и температурной на-груженности изнашиваемой поверхности,

чпу

ДП 2.

Блок адаптации

ПР

Рис. 3. Система управления энергетическим состоянием зоны резания

причем влияние силовой нагрузки (д'р) определяется приращением пути резания, а температура, способствующая увеличению теплосодержания АНт и разупрочнению инструментального материала, влияет на износ инструмента с учетом времени ее воздействия. Очевидно, что приращение износа будет минимальным в случае сближения численных значений указанных функционалов.

Для определения минимума ^ и приращения Д/13 по зависимостям (8 и 10) существует ряд способов, основанных на методах вариационного исчисления [7], заключающихся в замене переменных правой части на частные зависимости от единой общей переменной или их представлении в виде системы линейных уравнений, решаемых относительно текущих значений интенсивности износа. Во всех этих случаях решение весьма трудоемко и конечное выражение может быть крайне сложным и носящим частный характер.

Вместе с тем, с достаточной точностью условия минимизации уравнения (9) могут быть получены из условий максимальной синхронизации механических и тепловых процессов в определенном оптимальном температурном диапазоне [3].

Для проведения экспериментальной проверки полученных зависимостей была создана система управления энергетическим состоянием зоны резания на базе токарного станка с ЧПУ, структурная схема которой приведена на рис. 3.

Во время обработки система идентификации состояния РИ, получая информацию о текущих значениях параметров обработки (скорость резания, подача, мощность привода главного движения (ПГД) и приводов подач (ППХ, П^), температура (термоЭДС) и др.), оценивает текущее значение фаски износа инструмента и передает его в блок адаптации. Блок адаптации, интерпретируя программу обработки, полученную от ЧПУ, определяет длину последующего перехода (длину резания /). Затем, по приведенным выше за-

висимостям, на основании информации о текущих значениях износа РИ и температурносиловых параметров, рассчитывает параметры обработки ( и т. д.) в зависимо-

сти от выбранного режима работы системы:

1) поддержание минимальной интенсивности износа инструмента. В этом случае обеспечивается равенство функционалов (10) силовой и температурной нагруженности зоны резания;

2) поддержание заданного значения интенсивности износа при обеспечении режима максимальной производительности обработки. В этом случае параметры обработки (переменное значение скорости и определенная величина ускорения резания) рассчитываются исходя из заданного значения фаски износа Д/^, обеспечивающего требуемую интенсивность износа на отрезке dИ за время ¿г (10).

Результаты экспериментов, выполненных при различных вариантах режима работы системы управления, приведенные на рис. 4, показывают, что в случае управляемой вариации скорости резания ( ), обеспечи-

вающей сохранение термодинамического равновесия зоны резания, может быть повышена стойкость инструмента почти в 2 раза, или в 1,5—1,8 раза повышена производительность обработки (средняя скорость резания или при сохранении периода стойкости (режим > «о) по сравнению с точением в режиме постоянства оптимальной скорости резания («о =еош^.

V, м/мнн

Рис. 4. ХН73МБТЮ-ВД-ВК6ОМ: 5

= 0,12 мм/об, I = 0,75 мм V — «о =сош1;

О - «нач < ио; Д - «нач = «(Ь □, О - «нач > «О

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В результате проведенных исследований получена эволюционная модель изнашивания режущего инструмента, связывающая интенсивность износа РИ с величиной фаски износа.

2. Предложена структура системы управления процессом резания, включающая в себя эволюционную модель изнашивания режущего инструмента и позволяющая обеспечить заданный уровень интенсивности износа инструмента путем целенаправленного изменения механической и тепловой составляющих уравнения энергетического баланса.

3. Реализация системы управления показала преимущество обработки при условии максимальной синхронизации механических

и тепловых процессов за счет варьирования скорости и ускорения резания по сравнению с режимом постоянства оптимальной скорости резания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зориктуев, В. Ц. Диагностика состояния режущего инструмента в автоматизированном производстве : учеб. пособие / В. Ц. Зориктуев, Р. Р. Латыпов, В. В. Постнов, А. Д. Никин. Уфа :УГАТУ, 1994. 58 с.

2. Хаазе, Р. Термодинамика необратимых процессов / Р. Хаазе. М.: Мир, 1967. 253 с.

3. Постнов, В. В. Динамика износа контактных поверхностей режущего инструмента /

B. В. Постнов // Оптимальное управление ме-хатронными станочными системами : сб. науч. трудов. Ч. 2. Уфа: УГАТУ, 1999. С. 17-23. "

4. Николис, Г. Самоорганизация в неравновесных системах / Г. Николис, И. Пригожин. М.: Мир, 1977.512 с.

5. Кабалдин, Ю. М. О причинах немонотонности зависимостей стойкости и износа инструмента от скорости резания / Ю. М. Кабалдин // Вестник машиностроения. 1997. № 7.

C. 31-37.

6. Старков, В. К. Дислокационные представления о резании металлов / В. К. Старков. М. : Машиностроение, 1979. 160 с.

7. Попков, Ю. С. Идентификация и оптимизация нелинейных стохастических систем / Ю. С. Попков, О. Н. Киселев, Н. П. Петров, Б. Л. Шмульян. М.: Энергия, 1976. 440 с.

ОБ АВТОРАХ

Постнов Владимир Валентинович, доц., проф. каф. авто-матиз. технол. систем. Дипл. инж.-мех. (УГАТУ, 1972). Д-р техн. наук по технол. и оборуд. мех. и физ.-техн. обработки (УГАТУ, 2005). Иссл. в обл. нестац. процессов резания жаропрочн. сталей и сплавов.

Шафиков Альберт Анисо-вич, зав. лаб., асп. каф. ме-хатрон. станоч. систем. Дипл. магистр техники и технологии (УГАТУ, 2005). Готовит диссертацию в области оптимального управления процессами механообработки.