CC BY
3
Дородных Татьяна Ивановна, канд. физ.-мат. наук, старший инженер, [email protected], Россия, Тула, Тульский Государственный Педагогический Университет им. Л.Н. Толстого
AN APPROACH TO DETERMINING THE DURABILITY OF STRUCTURAL ELEMENTS UNDER HIGH-CYCLE
FATIGUE AND TEMPERATURE INFLUENCES
T.I. Dorodnykh
An approach is proposed to determine the cyclic durability during high-cycle fatigue of structural elements made of brittle materials. The approach is based on the use of a statistical criterion of damage which is measured in material microdamages and a structural-probabilistic model of the accumulation of microdefects in it. To describe the deformation of materials of structural elements, stochastic equations of thermoelasticity of a micro-inhomogeneous medium (method of conditional moments) are used. With taking into account the temperature effect, the durability of a steel rod under cyclic loading is considered.
Key words: microdamagebility, cyclic durability, fatigue failure, statistical strength criterion, material thermoe-lasticity effective properties.
Dorodnykh Tatiana Ivanovna, candidate of physical-mathematical sciences, senior engineer, [email protected], Russia, Tula, L.N. Tolstoy Tula's State Pedagogical University
УДК 621.92:531.7
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-8-286-287
ВЛИЯНИЕ МОЩНОСТИ РЕЗАНИЯ НА ТОЧНОСТЬ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ
С.Н. Жеребцов, П.В. Зыкин, А.М. Чехунова, Р.Н, Хамитов, Л.С. Ганичева
Проведено исследование влияния показателя мощности резания на точность токарной обработки на станке с числовым программным управлением. Установлено, что определение оптимальных параметров резания (продольной подачи режущего инструмента S, скорости резания V) посредством управляющих приборов на основе нечеткой логики позволяет интенсифицировать величину параметра мощности резания. По результатам выполненного расчета влияния сил резания на процесс обработки детали - вал из жаропрочного сплава, установлено, что для реализации технологического процесса без применения управляющих приборов требуется затратить 3,63 кВт эффективной мощности, также стоит отметить возникновение погрешности точности токарной обработки, которая выражается в несоответствии полученной величины шероховатости к требуемой. Применение электронного блока нечеткого управления приводом продольной подачи режущего инструмента в структуре токарного станка с ЧПУ ТК-250Н позволяет затратить 3,09 кВт эффективной мощности, экономия составляет 17,4%, а также снижает возникновение погрешностей точности токарной обработки.
Ключевые слова: станок с ЧПУ, изделие, мощность резания, нечеткое управляющее устройство, точность обработки, шероховатость.
Основополагающей целью машиностроительного производства стоит считать обработку деталей технологические размеры поверхностей, которых достигнуты с минимальной величиной погрешности, с заданной точностью механической обработки [1,2,9].
Повысить точность обработки позволяет процесс определения оптимальных режимов резания. В совокупности регулирование параметров резания позволяет оптимизировать числовые значения параметра мощности резания [3,6,8].
При производстве изделий для авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) в качестве конструкционных материалов широко используется жаропрочные сплавы типа ЭП202, ЖС6-У, ЖС6-К, ЭИ 437, 08Х18Н10Т на никелевой основе, полученные различными способами производства [14].
В процессе токарной обработки резцы типа ТК10, ТК15, ВК8, Т30К4 ГОСТ 19042-80 хорошо зарекомендовавшие себя при токарной обработке низколегированных и высокоуглеродистых сталей и сплавов.
Такие резцы быстро изнашиваются при механической обработке жаропрочных сплавов, поэтому были предложены резцы (пластины) по ГОСТ 19042-80 с особо мелким зерном повышенной твёрдостью, износостойкостью на основе WC, TaC, VC, Co, с использованием которых проводились дальнейшие исследования [5,6].
Проблемы совершенствования технологии окончательной (чистовой) токарной обработки связаны с необходимостью обеспечения выполнения высоких требований износостойкости инструмента, к биению и шероховатости плоских, цилиндрических и конических обработанных поверхностей в процессе механической обработки на токарных станках, а также с разработкой технологического процесса обработки сложных поверхностей вращения с криволинейными образующими [5,6].
Наиболее эффективным путем решения большей части этих технологических задач является выполненный теоретический анализ, и практические рекомендации выбора рациональных режимов резания: точность токарной обработки изделия, погрешность обработки, шероховатости обработанных поверхностей, с учетом изменения действительных физико-механических свойств жаропрочных сплавов, в процессе резания под влиянием деформаций, нагрузочных характеристик, скоростей деформации и неравномерно распределенных температур в изделие, вызванных нагревом самого изделия от работы, снятия стружки резцом [5,6,14].
286
На начальном этапе работы выполнен расчет величины силы резания для технологического процесса обработки детали вал без применения управляющего прибора слежения за процессом резания [3,4,8].
Для получения результатов исследований приняты следующие параметры: обрабатываемая деталь вал диаметром 100 мм, длина обрабатываемой поверхности 1200 мм. Схема механической обработки детали резцом на токарном станке представлена на рис. 1.
Рис. 1. Механическая обработка детали «Вал» резцом на токарном станке без применения управляющего прибора
Изделия: диски, вал, ротор турбины для газотурбинных двигателей изготавливают из жаропрочных сталей и сплавов [14], а также из и титановых сплавов, проблема обрабатываемости которых в настоящее время является актуальной. Данные изделия характеризуются высокими физико-механическими свойствами материалов, сложностью формы с одновременно высокими требованиями к точности и шероховатости образуемых поверхностей.
Рабочие диски, валы компрессоров и турбин для ГТД в большинстве случаев обрабатывают на токарных станках с числовым программным управлением (ЧПУ) марки ТК-250Н, СТ16А25Ф3, 16К20Ф3, ИТ-42.
При токарной обработке изделия «Вал» исследованию подвергались следующие жаропрочные сплавы:
1. Сплав ЭП202 ав = 760 МПа; 85 = 15%; у = 18%;
ШС 30-40 ед. согласно ГОСТ 5632-2014.
Химический состав сплава: С: 0,03%; 0,5%; Мп: 0,4%; N1: 61%;
Б: 0,010%; Р: 0,015%; Сг: 17%; Се: 0,01%; Мо: 4,0%; Ш: 4%; Т1: 2,5%;
А1: 1,2%; В: 0,01%.
2. Сплав ЭИ 437 ав = 850 МПа; 85 = 30%. согласно ГОСТ 5632-2014.
Химический состав сплава: Ее: 4%; С: 0,05%; 0,5%; Мп: 0,3%;
N1: 75%; Б: 0,005%; Р: 0,015%; Сг: 19%; Се: 0,01%; Т1: 2,4%; А1: 0,8%;
В: 0,01%.
3. Сплав ЖС6-У ав = 930 МПа; 85 = 3%
Химический состав сплава: Ее: 1%; С: 0,15%; 0.3%; Мп: 0,3%;
N1: 60%; Б: 0,01%; Р: 0,015%; Сг: 9%; Се: 0,01%; Мо: 1,5%; Ш: 10%;
Со: 10%; №>: 0,9%; Т1: 2,0%; А1: 5,0%; 7г: 0,03%; В: 0,030%.
Механическая обработка наружной поверхности детали, изделие «Вал» выполнялась на токарном станке с ЧПУ ТК-250Н проходным упорным резцом с пластиной, изготовленной из сплава ВК6 согласно ГОСТ 25398-90. Механические характеристики марки сплава для твердосплавных пластин ВК6: ав = 2000 МПа; аизг = 1519 Н/мм2; р = 15 г/см3 ; ША = 90 согласно ГОСТ 3882-74. Химический состав сплава ВК6: Ш: 94%; Со: 6%.
В качестве исходных данных в таблице 1 представлены значения коэффициентов и показателей степеней в формулах подсчета сил Рх, Ру, Р7 при наружном продольном точении [4,10,11].
Таблица 1
Значения коэффициентов и показателей степеней в формулах подсчета сил Рх, Ру, Рг __при наружном продольном точении [10,13]._
Обрабатываемый материал Коэффициенты и показатели степеней в формулах
Касательной силы Р7, Н | Радиальной силы Ру, Н Осевой силы Рх, Н
Ср2 Xz Yz п Сру Ху Yy П1 Срх Хх Yx П2
Сплав ЭП202 ав = 760 МПа 3100 1,0 0,75 -0,15 2300 0,9 0,6 -0,3 3250 1,0 0,4 -0,4
В таблице 2 представлены числовые значения параметров резания и величина шероховатости, которую требуется обеспечить в процессе токарной обработки изделия [10,12,13].
Величина продольной подачи режущего инструмента технологически задана параметром 0,21 мм/об, исходя из имеющегося практического опыта обработки детали для получения заданной точности и требуемой величины шероховатости.
На начальном этапе работы вычислим значение скорости резания V, используя формулу [10,12,13]:
п • Б • п
V =-, (1)
1000
где Б - диаметр обрабатываемой детали, мм; п - частота вращения шпинделя, об/мин.
Подставим данные в формулу (1) и получим:
V = З,14 100 375 = 118 м/мин 1000
Величина частоты вращения режущего инструмента задана значением 375 об/мин, исходя из имеющегося практического опыта обработки детали для получения заданной точности точения.
На основании выше представленных данных таблиц 1 и 2 выполним расчет сил резания [5]. Используя формулу (2) вычислим значение первой составляющей силы резания Р2 [12,13]:
Pz=Cpz•Hxx•Syy•Vn•Kpz (2)
где Рz - величина касательной силы резания по оси - Cpz - коэффициент характеризующий материал и условия его обработки; Н™ - глубина резания с учетом коэффициента радиальной силы, мм; Syy - подача режущего инструмента с учетом коэффициента радиальной силы, мм/об; V11 - скорость резания с показателем степеней параметров резания; ^ - общий поправочный коэффициент, учитывающий конкретные условия обработки.
Таблица 2
Числовые значения параметров резания и требуемая величина шероховатости
Подача режущего инструмента S мм/об Глубина резания Н, мм Скорость резания V, м/мин Требуемая величина шероховатости Яатреб, мкм Радиус режущей кромки резца Я, мм
0,21 0,5 118 6,3 1,5
Подставим данные в формулу (2) и получим:
Pz = 3100Ю,51Ю,21°,7Ч18-°,1Ч=235Д Н На следующем этапе работы вычислим значение второй составляющей силы резания Ру используя формулу
(3) [12,13]:
Ру = Сру-Н^^111 •Кру (3)
где Ру - величина силы резания по оси - 0у; Сру - коэффициент характеризующий материал и условия его обработки; №у - глубина резания с учетом коэффициента радиальной силы резания, мм; Syy - подача режущего инструмента с учетом коэффициента радиальной силы резания, мм/об; V11 - скорость резания с учетом показателя степеней сил резания м/мин; Кру - общий поправочный коэффициент, учитывающий конкретные условия обработки. Подставим данные в формулу (3) и получим:
Py=2300•0,5°,9•0,21°,6• 118-0,3-1=115,5 Н Далее определим значение третьей составляющей силы резания Рх используя формулу (4) [10,12,13]:
Рх^рх-Н^^-^-Крх (4)
где Рх - величина силы резания по оси - 0х ; Срх - коэффициент характеризующий материал и условия его обработки равный - 1; Нхх - глубина резания с учетом показателя степеней параметров резания, мм; Syx - подача режущего инструмента с учетом показателя степеней параметров резания, мм/об; V12 - скорость резания с учетом показателя степеней сил резания, м/мин; Крх - общий поправочный коэффициент, учитывающий конкретные условия обработки равный 1 .
Подставим данные в формулу (4) и получим значение осевой силы Рх:
Px=3250•0,51•0,21°,4•118-°,4=129,2 Н Используя формулу (5) определим равнодействующую всех сил при наружном продольном точении
[12,13]:
Я = д/ Р22 + Ру2 + Рх2, (5)
где Я - равнодействующая всех сил при наружном продольном точении; Pz - величина силы резания по оси - Н; Ру - величина силы резания по оси - 0у, Н; Рх - величина силы резания по оси - 0х, Н.
Подставим данные в формулу (5) и получим величину равнодействующей всех сил при продольном точении:
Я =7235,12 +115,52 +129,22 = 292,1Н Далее выполним расчет значения эффективной мощности резания. Расчет выполнен при помощи формулы
(6) [12,13]:
Р • V
№ = (6) П • п
где № - эффективная мощность (мощность, необходимая для осуществления резания; Pz - величина силы резания по оси - п - частота вращения шпинделя станка, равная 102 об/мин; ц - КПД токарного станка с ЧПУ, равный 75% [12,13].
Подставим данные в формулу (6) и получим величину мощности необходимую для осуществления операции резания [12,13].
ЛТ 235,1-118 _ _
№ =-= 3,63 кВт
75-102
Для того чтобы снизить величину мощности резания требуется в структуре токарного станка с ЧПУ применить управляющее устройство на основе нечеткой логики [7,11]. Соответствующая схема управляющего устройства процесса резания изделия представлена на рисунке 2 [11,12].
Рис. 2. Общая схема: а - схема управляющего устройства механической обработки изделия, установленного на токарном станке с ЧПУ с указанием действия сил резания: 1 - преобразователь управляющего сигнала; 2 - электронный блок нечеткого управления [10]; 3 - механическая система регулирования подачи; 4 - датчик линейного перемещения; 5 - механическая система беззазорная направляющая качения; 6 - механическое устройство для перемещения; 7 - механизм базирования; 8 - шток перемещения; 9 - наконечник датчика контроля шероховатости изделия; 10 - высокочастотный кабель; 11 - обрабатываемая деталь (изделие); 12 - головка резцодержателя с резцом; 13 - станина токарного станка с ЧПУ; 14 - линейный энкодер Renishaw RLE. б - схема действия сил резания на деталь в процессе обработки: Б1заг - диаметр обрабатываемой поверхности заготовки; Б2дет - диаметр полученной детали
Принцип действия управляющего устройства заключается в следующем. Датчик линейного перемещения (4) выполняет измерение положения режущего инструмента за счет линейного энкодера Renishaw RLE (экондер - это датчик, преобразователь или считывающая головка в паре со шкалой, которая кодирует положение. Датчик регистрирует данные, чтобы преобразовать закодированное положение датчика в аналоговый или цифровой сигнал, который затем может быть декодирован в положение цифровым считывателем (DRO) или контроллером движения), который расположен вдоль оси перемещения инструмента [3].
На следующем этапе работы, данные о величине продольной подачи режущего инструмента попадают в блок нечеткого управления (2) в котором выполняется анализ параметров продольной подачи режущего инструмента, а также вычисление величины рассогласования управляемого параметра, а также скорости изменения величины рассогласования. Далее посредством нечетких правил управления [6,10], которые заложены в блок (2) выполняется регулирование скорости вращения электродвигателя. На рисунке 2 представлена схема воздействия сил резания для технологического процесса обработки детали вал [6,10,14].
Выполним расчет сил резания для технологического процесса обработки детали вал с применением управляющего прибора [6,10,12]. Значения коэффициентов и показателей степеней в формулах подсчета сил представлены в таблице 1.
В таблице 3 представлены числовые значения параметров резания и величина шероховатости, которую требуется обеспечить в процессе обработки детали вал с применением управляющего прибора [10,13].
Таблица 3
Числовые значения параметров резания и требуемая величина шероховатости _ для обработки детали вал с применением управляющего прибора _
Подача режущего инструмента S мм/об Глубина резания H, мм Скорость резания V м/мин Требуемая величина шероховатости Ra^e, мкм Радиус режущей кромки резца R (в плоскости Px), мм
0,174 0,5 120,0 6,3 1,5
Величина продольной подачи режущего инструмента предварительно задана 0,174 мм/об, исходя из имеющегося практического опыта обработки детали для получения заданной точности точения, значение получено после процесса регулирования продольной подачи при помощи управляющего прибора.
На начальном этапе работы вычислим значение скорости резания V используя формулу (1):
Т7 3,14-100• 382 ,
V =-= 120м/мин
1000
Используя формулу (2) вычислим значение силы резания Pz [12]:
Pz = 3100-0,51-0,174°,7М20"°,1М=203,6 Н На следующем этапе работы вычислим значение второй составляющей силы резания Ру используя формулу
(3) [12]:
Ру = 2300•0,5°,9•0,174°,6• 120"0,3-1=102,6 Н Далее определим значение силы резания Рх используя формулу (4):
Рх = 3250•0,51•0,174°,4•120"°,4•1=118,9 Н Используя формулу (5) определим равнодействующую всех сил при наружном продольном точении.
Я =7203,62 +102,62 +118,92 = 257,1Н Далее выполним расчет значения мощности необходимой для осуществления резания N6) [12]. Расчет выполнен по формуле (6), в которой п - частота вращения шпинделя равная 102 об/мин; ц - КПД токарного станка с ЧПУ равный 75%:
Меуп = 196'7-12° = 3,09 кВт уп 75-102
За счет применения управляющего устройства в структуре станка с ЧПУ стоит отметить отсутствие погрешности полученной шероховатости поверхности детали вал [7].
Для оценки эффективности применения управляющего прибора в структуре токарного станка с ЧПУ ТК-250Н определим величину разности эффективной мощности (ANe) в типовом технологическом процессе изготовления детали - вал и в технологическом процессе с применением управляющего прибора, используя формулу (7) [4,12]:
N - №уп|
ANe =-• 100%, (7)
где ANe - разность величины мощностей резания %, Ne - величина эффективной мощности, которую нужно затратить в ходе технологического процесса обработки детали без применения управляющего прибора; №уп - величина эффективной мощности, которую нужно затратить в ходе технологического процесса обработки детали с учетом применения управляющего прибора.
Подставим данные в формулу (7) и получим:
|3,63 - 3,09|
ANe = ^--—- • 100% = 17,4%
3,09
Таким образом, применение управляющего прибора позволяет снизить величину затрачиваемой эффективной мощности обработки детали вал на 17,4%, что в количественном выражении составляет 540 Вт.
Заключение. В рамках проведенного исследования изучено влияние силы мощности резания, на точность механической обработки изделия, на токарном станке с ЧПУ с применением управляющих приборов.
1. По результатам выполненного расчета влияния сил резания на процесс обработки детали вал установлено, что для реализации технологического процесса без применения управляющих приборов требуется затратить 3,63 кВт эффективной мощности.
2. Установлено, что применение электронного блока нечеткого управления приводом продольной подачи режущего инструмента в структуре токарного станка с ЧПУ ТК-250Н позволяет затратить 3,09 кВт.
3.Выявлено, что применение управляющего прибора на основе нечеткой логики, позволяет снизить величину эффективной мощности силы резания на токарном станке на 17,4% при механической обработке изделия по сравнению с базовым способом, что в количественном выражении составляет значение 540 Вт.
Список литературы
1. Агаев А.Р. Повышение точности обработки деталей на токарных станках с ЧПУ / А.Р. Агаев, Н.Г. Абба-сова // СТИН: научно-технический журнал. 2023. № 1. С. 25-30.
2. Анухин И.В. Выбор режимов резания труднообрабатываемых жаропрочных интерметаллидных сплавов тепловизионным методом / И.В. Анухин, С.А. Любомудров, С.Л. Мурашкин // СТИН: научно-технический журнал. 2015. № 1. С.16-20.
3. Хамитов Р.Н. Синтез системы управления шероховатостью на основе нечеткой логики посредством программного пакета MATLAB SIMULINK / Р.Н. Хамитов, П.В. Зыкин // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2023. Т. 19. С. 145-152.
4. Yu J., Shi P., Dong W., Lin C. Adaptive fuzzy control of nonlinear systems with unknown dead zones based on command filtering, IEEE Trans. Fuzzy Syst., 2016, vol. 26, no. 1. P. 46-55. DOI: 10.1109/tfuzz.2016.2634162.
5. Милостная Н.А. Автоматизированная система контроля и управления точностью обработки деталей на оборудовании с ЧПУ / Н.А. Милостная, М.В. Бобырь, Ю.П. Стеценко // Известия Тульского государственного университета. Серия. Вычислительная техника. Информационные технологии. Системы управления. 2006. Выпуск 1. С. 63-67.
6. Гусаров В.М. Применение нечеткой логики в системах автоматизированного управления / В. М. Гусаров, Ю. П. Поляков // Информационные технологии в науке и производстве. 2021. № 2. С. 56-63.
7. Yousefi S. Experimental studying of the variations of surface roughness and dimensional accuracy in dry hard turning operation. Open Mech. Eng. J., 2018, vol. 12, no. 1. P. 175-191. DOI :10.2174/1874155X01812010175.
8. Селиверстов А.А. Нечеткая логика в системах управления техническими процессами / А. А. Селиверстов, Д. В. Гаврилов // " Управление и информатика". 2021. Т. 8. С. 32-41.
9. Тигнибидин А.В. Повышение точности и производительности операции круглого шлифования деталей с прерывистыми поверхностями на основе применения управляющих приборов: специальность 05.02.08 «Технология машиностроения»: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Тигнибидин А. В. ; Омский государственный технический университет. Омск, 2012. 20 с. Библиогр. 15-20. Место защиты Омский государственный технический университет.
10. Рехельсон А.Б. Обработка резанием сталей, жаропрочных и титановых сплавов с учетом их физико-механических свойств : практ. пособие. Москва: Изд-во Техносфера, 2023. 508 с.
11. Артамонов В.Д. Технология автоматизированного производства: конспект лекций. Тула: Изд-во ТГУ,
2007. 50 с.
12. Байкалова В.Н., Колокатов А.М., Малинина И.Д. Расчет режимов резания при точении: метод. Рекомендации. Изд-во Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина, 2000. 38 с.
13. Некрасов Р.Ю. Формообразование фасонных поверхностей при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ с использованием оперативных коррекций: дисс. канд. техн. наук. Тюмень, 2008. 202 с.
14. Жеребцов С.Н. Применение наноматериалов и высокотемпературной обработки никельхромовых сплавов при электрошлаковом литье: дисс. канд. техн. наук. Новокузнецк, 2006. 213 с.
Жеребцов Сергей Николаевич канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет,
Зыкин Павел Витальевич, аспирант, [email protected], Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет,
Анна Михайловна Чехунова, старший преподаватель, Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет,
Хамитов Рустам Нуриманович, д-р техн. наук, профессор, apple [email protected], Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Ганичева Лидия Сергеевна, магистрант, s.n.zherebtsov@mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Национальный исследовательский университет информационных технологий механики и оптики
IMPACT OF CUTTING POWER ON NC LATHE PRECISION USING CONTROL TOOLS S.N. Zherebtsov, P. V. Zykin, R.N. Khamitov, L.S. Ganicheva
The effect of the cutting power index on the accuracy of turning on a machine with numerical control was studied. It has been found that the determination of the optimal cutting parameters (longitudinal feed of the cutting tool S, cutting speed V) by means offuzzy logic control devices makes it possible to reduce the value of the cutting power parameter. Based on the results of the calculation of the effect of cutting forces on the process of machining the part, the shaft found that in order to implement the technological process without the use of control devices, it is required to spend 3,63 kW of effective power, it is also worth noting the occurrence of an error in the accuracy of turning, which is expressed in the inconsistency of the obtained roughness value to the required one. The use of an electronic fuzzy control unit for the longitudinal feed drive of the cutting tool in the structure of a CNC lathe TK-250N allows you to spend 3,09 kW of effective power, the savings are 17,4%, and also eliminates the occurrence of errors in turning accuracy.
Key words: CNC machine, error, part (product), cutting power, fuzzy control device, roughness.
Zherebtsov Sergey Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tyumen, Tyumen Industrial University,
Zykin Pavel Vitalievich, postgraduate, pavel1996777@yandex. ru, Russia, Tyumen, Tyumen Industrial University,
Khamitov Rustam Nurimanovich, doctor of technical sciences, professor, apple_2 7@list. ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical Industrial University,
Ganicheva Lidiya Sergeevna, master's, s.n.zherebtsov@mail. ru, Russia, St. Petersburg, National Research University of Information Technologies of Mechanics and Optics
