автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Интенсификация нестационарного резания труднообрабатываемых материалов на основе оптимизации термодинамических условий изнашивания режущего инструмента

На правах рукописи

ПОСТНОВ Владимир Валентинович

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ НЕСТАЦИОНАРНОГО РЕЗАНИЯ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ИЗНАШИВАНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Специальность 05.03.01 - «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Уфа 2005

Работа выполнена в Уфимском государственном авиационном техническом университете (УГАТУ) на кафедре автоматизированных технологических систем

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Вячеслав Цыденович Зориктуев

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Александр Александрович Барзов, доктор технических наук, профессор Валентин Владимирович Трусов, доктор технических наук, профессор Виктор Леонидович Юрьев.

Ведущее предприятие ОАО «Пермский моторный завод».

Защита диссертации состоится-^¿ка-ДлЯ 2005 г. в /О часов на заседании диссертационного совета Д 212.288.04 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000 г.Уфа, ул.К.Маркса, 12, УГАТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГАТУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря.

Автореферат разослан « 2-У » g-ifcJjeX^ 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д-р. техн. наук, профессор

о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В настоящее время, в соответствии с общемировой тенденцией интенсификации технологических процессов, лезвийная обработка вступает в новый этап повышения конкурентоспособности по сравнению с другими методами формообразования в связи с развитием мехатронных станочных систем, оснащенных интеллектуальным компьютерным управлением. Их использование наиболее эффективно для обработки сложнопрофильных деталей и предполагает высокую степень управляемости процесса резания при соблюдении принципов его внешней (на стадии технологической подготовки) и внутренней (на стадии реализации процесса) оптимизации.

Анализ конструктивных особенностей и технологических схем обработки деталей сложной конфигурации, применяемых в авиационной, энергетической, космической и других наукоемких отраслях машиностроения, показывает, что подавляющее большинство поверхностей этих деталей (торцевые, конические, тороидальные) обрабатываются при непрерывном и закономерном изменении одного или нескольких параметров режима резания. Как правило, указанные детали изготавливаются из жаро- и особопрочных материалов, обладающих весьма низкой обрабатываемостью вследствие высокой интенсивности износа режущего инструмента. Износ инструмента приводит к дестабилизации внутренних и выходных параметров процесса резания (с

илы и температуры, характеристик качества обработанной поверхности), на которые накладывается внешняя нестационарность от изменения входных управляемых и неуправляемых параметров обработки, в том числе — обусловленная использованием систем автоматического управления, реализующих направленное изменение элементов режима резания для поддержания температурно-скоростного и силового режимов обработки на оптимальном уровне.

В настоящее время в условиях нестационарного резания режимы обработки назначаются, как правило, по предельным значениям диаметра обрабатываемой поверхности, глубины резания, подачи, геометрии инструмента и других переменных параметров. Возможную нестационарность учитывают введением поправочных коэффициентов на снижение элементов режима резания и периода стойкости инструмента. Управление режимом обработки на станках, оснащенных системами автоматического управления, в основном базируется на закономерностях, полученных при стационарном резании и не учитывающих специфики протв,'а11ы° ^итаггш-^ т™

переменных параметрах нагружения

наследственность, последействие и т.д.), что приводит к неоправданному снижению производительности обработки, стойкости режущего инструмента, точности и качества обработанных деталей.

Как показал анализ опубликованных теоретических и экспериментальных исследований, это связано с недостаточной изученностью нестационарной обработки вследствие сложившихся представлений об отрицательном влиянии переменности режима резания на размерную стойкость инструмента, качество и себестоимость обработанных деталей, значительной сложностью разработки математических моделей, адекватно описывающих динамику контактных процессов в условиях, далеких от термодинамического равновесия.

Вместе с тем в последнее время получены существенные результаты, позволяющие проводить разработку новых методов управления лезвийной обработкой при использовании положений термодинамики неравновесных процессов для комплексного анализа контактных процессов в зоне обработки и износостойкости режущего инструмента с учетом взаимосвязи и взаимовлияния (синхронизма) механо-химических и тепловых явлений, протекающих в зоне контакта, трансформации свойств взаимодействующих поверхностей инструмента и детали.

В связи с вышеизложенным, разработка термодинамических принципов обеспечения управляемости и интенсификации нестационарной лезвийной обработки деталей из труднообрабатываемых материалов для повышения эффективности эксплуатации мехатронных станочных систем является важной научной проблемой.

Актуальность диссертации подтверждается тем, что ее основу составляют выполненные автором исследования в рамках:

- межотраслевой научно-технической программы МАП СССР и Минвуза РСФСР «Авиационная технология» (направление 05.01,1982-1990 гг.);

- научно-технической программы фундаментальных и прикладных исследований «Новые технологии и автоматизация производственных процессов в машиностроении» Госкомитета СССР по народному образованию (1989-1990 гг.);

- межвузовской программы «Научные исследования высшей школы в области производственных технологий» (раздел «Технология и оборудование для обработки изделий машиностроения, 2000 г.);

- грантов Минвуза РФ и Академии наук Республики Башкортостан (19922000 гг.);

- федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки (направление 3, раздел 1.4, 1997-2006.it.).

Цель работы: Повышение эффективности нестационарного резания жаропрочных сталей и сплавов на основе оптимизации термодинамических условий контактирования и изнашивания режущего инструмента.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих

задач:

1. Выполнить структурно-энергетический анализ лезвийной обработки с использованием термодинамики неравновесных процессов для описания взаимосвязи термомеханических явлений в зоне резания с изнашиванием режущего инструмента. Получить аналитические выражения для определения основных составляющих (диссипативных функций) энергетического баланса зоны контакта инструмента с деталью, учитывающие специфические особенности и элементы режима нестационарной механической обработки.

2. Разработать методики, аппаратуру и экспериментальные установки, выполнить комплекс экспериментальных исследований обрабатываемости и фрикционного взаимодействия инструмента с деталью при нестационарной токарной обработке жаропрочных сталей и сплавов.

3. На основании исследований механики процесса резания, с учетом особенностей развития процессов деформации и разрушения материалов при динамическом нагружении, разработать математические модели для расчета параметров напряженно-деформированного состояния зоны стружкообразования при управляемом изменении элементов режима резандя

4. Провести анализ синхронизма механических и тепловых явлений в процессе резания с учетом изнашивания режущего инструмента; предложить термодинамические критерии оценки процессов трансформации затраченной механической энергии в тепловую в пределах зоны контакта инструмента с деталью и разработать на их основе методы минимизации интенсивности износа при управляемом изменении скорости резания.

5. Выполнить технико-экономическое обоснование методов повышения эффективности лезвийной обработки жаропрочных материалов при управляемом нестационарном точении. Разработать методические материалы и технологические рекомендации по рациональным (оптимальным) режимам нестационарного резания труднообрабатываемых конструкционных материалов, осуществить внедрение результатов исследования в производство и учебный процесс.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались основные положения теории резания металлов, термодинамики неравновесных процессов, теплофизики технологических процессов, теории пластической деформации металлов, теории подобия, теории износа и молекулярно-механической теории трения.

В экспериментальных исследованиях использованы как стандартные или известные методики проведения стойкостных, температурных и силовых экспериментов, измерения параметров вибраций в процессе резания, так и специально разработанные методы и установки для определения прочностных, деформационных, термоэлектрических и диссипативных характеристик на модели локального фрикционного контакта инструмента с заготовкой, нестационарной обработки на станках с ЧПУ, в том числе - с использованием автоматических регуляторов температуры резания.

Применялась вычислительная техника с использованием стандартных и специальных программ обработки результатов экспериментов, расчета термодинамических зависимостей и критериев, температурных полей в зоне резания.

Достоверность положений и выводов исследований подтверждалась проверкой адекватности полученных зависимостей в реальном процессе резания и результатами производственных испытаний.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработке и теоретическом обосновании термодинамической модели управляемого нестационарного резания с учетом полноты диссипативных процессов в зоне контакта инструмента с деталью и затрат энергии на формоизменение режущего инструмента при его изнашивании;

- разработке математических моделей для расчета параметров напряженно-деформированного состояния зоны резания, учитывающих явление запаздывания пластической деформации в зоне сдвига при обработке с управляемым изменением элементов режима резания;

- установлении новых закономерностей силовых, температурных и деформационных характеристик процесса резания, учитывающих не только текущее значение элементов режима резания, но и скорости их изменения в процессе обработки;

- определении термодинамических условий, критериев и методов минимизации интенсивности износа инструмента, основанных на впервые установленном явлении существования энергетически оптимальной зоны эксплуатации режущего инструмента, в пределах которой наблюдается наиболее полная диссипация механической энергии в тепловую и отвод ее от изнашиваемой поверхности термопластически деформированными приконтакгаыми слоями обрабатываемого материала;

- разработке принципов интенсификации механообработки на основе выявленных механизмов синхронизации механических и тепловых эффектов в зоне резания для повышения технико-экономической эффективности мехатронных станочных систем.

Практическая ценность работы

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований:

- предложены методы и алгоритмы управления процессом обработки на станках с ЧПУ и мехатронных станочных системах за счет изменения режима резания с оптимальной интенсивностью, из условия наиболее полного термодинамического равновесия механических и тепловых процессов на изнашиваемой поверхности инструмента;

- разработаны технологические рекомендации по рациональным режимам нестационарной обработки жаропрочных сплавов на никелевой основе, рекомендуемые справочные данные по режимам резания и инструменту для автоматизированных модулей механообработки деталей из труднообрабатываемых материалов;

- предложены инженерные методики и новые способы: ускоренного определения оптимальных режимов нестационарного резания (патент РФ № 2207935); оценки обрабатываемости (патент РФ № 2247963); определения оптимальной скорости резания при точении (а.с. № 1211640) и сверлении (а.с. № 1430181, 1371783); определения допустимой подачи инструмента (а.с. № 1386373, 324389); определения режущей способности инструмента (а.с. № 1419296, 293378); определения модуля упругости износостойкого покрытия (а.с. № 35997), позволяющие решать задачи сокращения сроков и трудоемкости технологической подготовки производства при построении операций обработки деталей из труднообрабатываемых материалов в управляемом нестационарном режиме;

- разработан комплекс методического и аппаратного обеспечения экспериментальных исследований процессов контактного взаимодействия инструмента с обрабатываемой деталью для экспресс-выбора рациональных марок инструментального материала и назначения оптимальных технологических режимов обработки.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены на крупных предприятиях машиностроения (ОАО «Пермский моторный завод», ФГУП ММПП «Салют»; ФГУП Кум.АПП, ФГУП УАП «Гидравлика», ФГУП УППО); приняты в качестве методических рекомендаций Научно-исследовательским институтом технологии и организации производства двигателей (ОАО НИИТ); в виде информационного обеспечения по режимам резания и режущему инструменту для автоматизированных модулей механообработки деталей используются в сети инженерных центров по комплексной автоматизации и созданию интегрированных проектно-производственных систем Института инноватики при СПбГПУ.

Научные и практические результаты данной работы вошли в монографию автора, учебные пособия и методические указания, используемые в учебном процессе подготовки инженеров по специальностям «Мехатроника» и «Автоматизация технологических процессов».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных, всероссийских, региональных научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах с 1985 по 2005 гг в различных городах России и СНГ, среди которых: «Физическая оптимизация, управление и контроль процессов обработки резанием» (Уфа, 1991); «Теплофизика технологических процессов» (Рыбинск, 1992); «Теплофизические проблемы производства летательных аппаратов и двигателей» (Казань, 1993); «Термодинамика технологических систем» (Краматорск, 1993); «Технология-94» (С.-Петербург, 1994); «Новые технологии в машиностроении» (Харьков - Рыбачье, 1994); «Технология механообработки: физика процессов и оптимальное управление» (Уфа, 1994); «Теплофизика технологических процессов» (Рыбинск, 1996); «Технология - 96» (Новгород, 1996); «Проблемы трибологии производства» (Иваново, 1997); «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 1998); «Новые технологии управления движением технологических объектов» (Новочеркасск, 1999, 2000); «Повышение эффективности механообработки на основе аналитического и экспериментального моделирования процессов» (Рыбинск, 1999); «Механика и прочность авиационных конструкций» (Уфа, 2001); «Технология -2001» (Орел, 2001); «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков» (Рыбинск, 2002); «Интеллектуальные мехатронные станочные системы» (Уфа, 2003); «Динамика технологических систем» (Саратов, 2004); «Оптимизация и управление процессом резания, мехатронные станочные системы» (Уфа, 2005).

Материалы работы экспонировались и удостоены бронзовой и серебряной медалей ВДНХ СССР в 1977 г. и 1988 г.; рассматривались Межотраслевым экспертным советом по содействию внедрению научно-технических достижений (МЭС) в 1990 г. Работа обсуждалась на выездных заседаниях Головного совета «Машиностроение» в 1994 и 2000 гг

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 67 научных работах, в том числе - одной монографии и трех учебных пособиях. По теме диссертации получено восемь авторских свидетельств и два патента на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, списка литературы и приложения, содержит 326 страниц машинописного текста, 217 наименований использованной литературы, 175 рисунков, 11 таблиц.

Основные научные положения и результаты, полученные лично автором и выносимые на защиту

1. Термодинамическая модель управляемого нестационарного резания, полученная с учетом полноты диссипативных процессов в зоне контакта инструмента с деталью и затрат энергии на формоизменение режущего инструмента при его изнашивании.

2. Модели для расчета параметров напряженно-деформированного состояния зоны резания, учитывающие явление запаздывания пластической деформации в зоне сдвига при обработке с управляемым изменением элементов режима резания.

3. Новые закономерности силовых, температурных и деформационных характеристик процесса резания, учитывающие не только текущее значение элементов режима резания, но и скорости их изменения в процессе обработки.

4. Термодинамические условия, критерии и методы минимизации интенсивности износа инструмента, основанные на впервые установленном

( явлении существования энергетически оптимальной зоны эксплуатации режущего инструмента, в пределах которой наблюдается наиболее полная и быстрая диссипация механической энергии в тепловую и отвод ее от изнашиваемой поверхности термопластически деформированными приконтактными слоями обрабатываемого материала.

5. Методологические принципы поиска оптимальных условий и алгоритмов управления процессом механообработки на основе выявленных механизмов синхронизации механических и тепловых явлений в зоне резания для повышения эффективности мехатронных станочных систем.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, изложена краткая характеристика работы, показана научная новизна, практическая ценность и достоверность полученных результатов, основные задачи и положения, которые выносятся на защиту, приведены сведения об апробации и реализации основных положений диссертации.

Первая глава содержит анализ состояния проблемы интенсификации нестационарного резания труднообрабатываемых материалов, обоснование цели и задач исследования.

Изложено понятие нестационарной лезвийной обработки как процесса срезания единичного слоя припуска, при котором технологические параметры (элементы режима резания, геометрия инструмента и т.д.) изменяются во времени непрерывно или дискретно. Нестационарный режим определяется в каждый момент времени не только текущими значениями скорости резания v,

подачи S и глубины t, но и их производными по времени: - ускорением движения резания ау, скоростью изменения подачи as и глубины резания а,. Приведены расчетные зависимости для определения указанных выше элементов нестационарного режима резания при обработке торцевых и конических поверхностей.

Систематизация факторов, определяющих нестационарность процесса резания как объекта управления, позволила разделить нестационарность на внешнюю, определяемую конструктивными особенностями обрабатываемой детали, изменением элементов режима резания (v, s, t, <р...), а также случайными внешними факторами, и внутреннюю, связанную с изменением физического состояния зоны контакта инструмента с деталью, прежде всего - с необратимым ростом износа инструмента.

Анализ теоретических и экспериментальных исследований механики и теплофизики процессов лезвийной обработки, износостойкости режущего инструмента показал, что в значительном объеме публикаций доля исследований процесса резания при непрерывно изменяющихся входных параметрах обработки весьма незначительна. В большинстве работ исследования комплекса параметров обрабатываемости выполнены в условиях, близких к стационарным или квазистационарным. Отдельные факторы внешней нестационарности (например, изменение скорости резания при торцевом и продольном точении фасонных, конических, ступенчатых поверхностей) не рассматривались комплексно, в совокупности с факторами, связанными с внутренней нестационарностью, обусловленной износом инструмента, изменением силы и температуры резания, термодинамической нестабильностью контакта. Это можно объяснить высокой трудоемкостью экспериментов и необходимостью специального оборудования для изучения влияния скорости изменения элементов режима резания, а также сложившимися представлениями о том, что переменность входных параметров приводит к снижению размерной стойкости инструмента, производительности и качества обработки.

В то же время в работах В.Н. Подураева, А.Д. Макарова, А.Н. Резникова, В.Ц. Зориктуева, С.С. Силина, В.В. Трусова, Д. Кумабэ, Ж.С. Кайнта и P.C. Гупты показано, что переменность режима резания может снижать относительные деформации в зоне сдвига, силу резания, интенсивность тепловыделения и температуру резания.

Возможность снижения интенсивности износа, увеличения периода стойкости инструмента в 1,2-4 раза при торцевом точении дисков ГТД в режиме постоянства температуры резания (ИГР), поддерживаемой за счет изменения скорости резания, показана в работах В.Ц. Зориктуева, В.В.Трусова,

а для продольного, торцевого и конусного точения с переменной скоростью резания - в работах Кроненберга, Фердинанда, Мюррея, B.JI. Юрьева.

Эффективность управляемого нестационарного резания для обеспечения высоких характеристик качества обработанной поверхности деталей ГТД доказана в работах В.Ф. Безъязычного, B.JI. Юрьева, В.К. Старкова.

В последнее время для целей управления процессом обработки и повышения работоспособности режущего инструмента используются методы термодинамики и синергетики (A.A. Барзов, В.Н. Подураев, В.В. Закураев, Ю.Г. Кабалдин, A.A. Рыжкин, B.JI. Юрьев). Несмотря на значительную общность термодинамического подхода к оценке трения, разрушения и изнашивания, полученные зависимости не учитывают особенностей протекания термомеханических процессов при нестационарном резании; как правило, функциональные связи между входными и выходными параметрами процесса резания получены при условии априорно полного превращения механической энергии в тепловую в пределах зоны контакта инструмента с заготовкой; расчетные зависимости содержат ряд параметров, которые не могут быть определены экспериментально или расчетным путем и являются константами только для стационарного температурно-силового режима нагружения.

Таким образом, анализ литературы показал недостаточную изученность процессов нестационарного резания, отсутствие комплексных исследований влияния не только текущего значения элементов режима резания, но и скорости и направления (знака) их изменения в процессе обработки, во взаимосвязи с факторами внутренней нестационарности, обусловленной изменением термодинамического состояния зоны резания и износа инструмента, на выходные физические и технологические параметры процесса резания для повышения эффективности современных станочных систем.

Это обусловило необходимость настоящего исследования, определило его основное направление, цель и задачи.

Во второй главе представлен структурно-энергетический анализ процесса резания на основе термодинамики неравновесных процессов.

Состояние зоны контакта инструмента с деталью как самоорганизующейся термодинамической системы, при переменных во времени т условиях нагружения, описано с помощью диссипативных функций — du /

SP, представляющих собой скорость изменения у^ энергии, затрачиваемой

на какой-либо процесс, отнесенной к единице фактической площади Аг контакта, или же рассчитываемых как произведение скорости изменения ds /

энтропии у, на температуру, а также как произведение термодинамическом

(обобщенной) силы (Лст ^ " пйпКтопап™ < г1»-

Принимая в первом приближении, что механическая внешняя энергия ур, подведенная к зоне контакта инструмента с деталью, затрачивается на

тепловыделение при деформации обрабатываемого материала \\/с1, а также на изменение внутренней энергии при формоизменении и износе инструментального материала \}7Г, закон сохранения энергии в форме баланса диссипативных функций (ДФ) можно записать в виде

Используя закономерности теории резания, кинетической теории прочности и пластичности, механохимии и физической кинетики, были конкретизированы составляющие уравнения баланса ДФ.

С учетом закономерностей распределения удельных нагрузок в зоне резания, предложенных С.С. Силиным и В.В. Трусовым, и наличия трех зон формирования силы резания Рг, ДФ внешних сил представлена в виде

ш 1 ¿1 Л ,Г 1+ В2 0,6875 ПГЛ/П

х¥„=—/-г-— (Р,1)= т.-/---+ —-+ 0,505 , (3)

" Ь{^+с)скКг ' А^ р + ка уК)

где Ь - ширина срезанного слоя; й3 и с - длины контакта резца со стружкой и

деталью по задней и передней поверхностям инструмента; хр - напряжение

сдвига обрабатываемого материала, I - путь резания, ка - коэффициент усадки

стружки; у - передний угол резца; В = , где р, - условный угол сдвига.

При получении уравнения ДФ пластической деформации исходили из представления о трансформации энергии деформации в тепловую энергию, рассеиваемую в стружку, деталь, резец и окружающую среду. При этом, в соответствии с данными Те и Скраттона, предполагалась возможность неполного превращения механической энергии в тепловую в пределах зоны контакта инструмента с деталью вследствие высоких скоростей и ускорений деформации, конечности скорости превращения и возможности увеличения напряжения сдвига Агр внутри пластической зоны вследствие эффекта

скоростного упрочнения, компенсирующего разупрочняющее влияние температуры на хр.

Отнеся упрочнение приповерхностного слоя через Дт к числу

дислокаций О, приходящихся на единицу степени пластической деформации, с учетом роста термодинамического потенциала в скоплениях п компланарных

(2)

дислокаций, обобщенная термодинамическая сила процесса пластической деформации представлена в виде

(4)

Для определения Ах р рассмотрено влияние адиабатического повышения

температуры на напряжение пластического течения хр, при этом изменения

скорости и степени деформации были представлены как эквивалентные изменения температуры, модифицированной по скорости деформации

6М = 6(1 -к,Ы%\ (5)

/ео

где - постоянная, выбираемая таким образом, чтобы изменения напряжения хр при температуре 6 и скорости деформации е^ были такими же, как при скорости е' и температуре 9^.

Получено выражение для касательного напряжения при пластическом течении в виде

где т = 1 - тТгТ

(О

Iе!,

1 — ШТ2Т

ЪТ-1

V9»/

Д9„ А9М

—— + л,—

(6)

де^ де^

—— + п—— имеет физическии смысл

коэффициента температурно-скоростного упрочнения материала детали в контактной зоне; а„ - предел прочности материала детали, полученный при деформировании в изотермических условиях; ту, гт - постоянные; п\ -показатель степени деформационного упрочнения; - температура плавления обрабатываемого материала, Л9 м - приращение модифицированной температуры.

Обобщенный поток реакции процесса пластической деформации как процесса образования и движения дислокаций в объеме термопластически деформированной зоны определяется выражением

г Д©м 8 /7Ч

где р, с - соответственно плотность и удельная теплоемкость материала детали.

Диссипативная функция процесса пластической деформации как поверхностной плотности тепловой энергии, с учетом уравнений (4) и (7) может быть представлена в виде

%=~10'реА9и{1-т) Ив-е\ (8)

где Ив - толщина термопластически деформированного слоя материала детали.

Используя решение задачи определения толщины прирезцовых слоев стружки и детали, претерпевающих термопластическую деформацию, в виде «тонких стенок» с перепадом температур А8, полученное в работе В.В. Трусова и понятие температуры, модифицированной по скорости пластической деформации, получены выражения для расчета Иш детали в зоне ее контакта с задней поверхностью инструмента и Иде стружки:

2ХА9„

Л8С =

0,75в-ус '

(9)

(10)

где Л - коэффициент теплопроводности материала детали; vc - скорость движения стружки; Л и Л3 - длина контактной зоны по задней поверхности острозаточенного и изношенного резца, соответственно.

Для определения скорости деформации е', входящей в уравнение (8), исходя из принципа подобия градиентов скоростей деформации и температур, с учетом концентрации теплоты в прирезцовых слоях обрабатываемого материала получено выражение

е =-

С'

ч>

— (и + 1)ехр(-£,)-----

1п

8

(П)

_ср средняя толщина приконтактного текущего слоя;

А

- максимальная

где с;

температура в зоне стружкообразования; © - коэффициент температуропроводности материала детали; кл - коэффициент концентрации теплоты.

Подставляя в уравнение (8) значения Ид и е' из выражений (9), (10) и (11), можно рассчитать ДФ для основных зон пластической деформации, а их суммированием определить ¡¡¡¡4 как плотность тепловой энергии, выделяющейся в процессе резания.

Получено выражение ДФ формоизменения инструментального материала при его изнашивании и образовании новых свободных поверхностей. При этом использована модель сложно-напряженного состояния граничного слоя конечной толщины Н0 для случая произвольного распределения внешней нормальной рг и касательной т„ удельных нагрузок.

1

Л

4 Е

.-и..

(12)

где Аг - фактическая площадь контактной поверхности; - деформированный объем; |1 и Е - коэффициент Пуассона и модуль упругости инструментального

материала; о_п - напряжение, обеспечивающее локальные сдвиги в объеме деформируемого слоя; а,„ - гидростатическое давление, обеспечивающее дополнительные сдвиги; ир - энергия формоизменения деформируемого слоя инструмента.

Для определения внутренних разрушающих напряжений а_п и стш

решена контактная задача теории пластичности для сложно-напряженного состояния фрагмента износа, с учетом статистического подхода к определению усталостной прочности инструментального материала при нестационарном тепловом режиме нагружения, реализованного в работах Г.С. Писаренко и А.А. Лебедева.

Получено уравнение общего энергетического баланса

позволяющее рассчитать скорость объемного износа инструмента по известной взаимосвязи между деформированным и изношенным объемами у = Ук ■ N. определив число воздействий .V, приводящих к отделению частицы износа.

Таким образом, показана принципиальная возможность управления изнашиванием инструмента путем целенаправленного изменения механической и тепловой составляющих уравнения энергетического баланса, в том числе — за счет выбора не только оптимальных сочетаний V, я, но и скоростей их изменения. Для реализации этого необходимо изучить деформационные, силовые и температурные зависимости при нестационарном резании, определить пути управления этими параметрами, их оптимальные значения, закономерности влияния на характеристики размерной стойкости инструмента.

В третьей главе представлены теоретические и экспериментальные исследования параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) зоны стружкообразования при нестационарном резании.

Установлено, что при нестационарном резании характер зависимостей деформационных характеристик (к, р, е, е') аналогичен стационарному, но величина и знак скорости изменения элементов режима резания (а„ ¡за) оказывают значительное и неоднозначное влияние на уровень и поведение указанных зависимостей. В пределах исследованных диапазонов существуют значения а„ при которых процесс деформации срезаемого слоя облегчается, обеспечивая наибольший уровень зависимостей р(у) или Скорость

изменения глубины резания а, практически не оказывает влияния на деформационные параметры процесса резания.

1 Гз(1 + ц)о

4, ' 4 Е

.2 -П

Предложена модель стружкообразования (рис. 1, а), согласно которой ускорение резания вызывает изменение угла сдвига Л{5 в пределах зоны конечной толщины Л5, за счет опережения А/ перемещения вершины резца по отношению к свободной поверхности зоны стружкообразования, вследствие обратного течения материала на наружной поверхности зоны сдвига за время единичного цикла стружкообразования.

Рис. 1. Модель для анализа изменения условий стружкообразования при обработке с переменной скоростью резания а и толщиной среза б

Получено уравнение для расчета характеристик деформации срезаемого слоя при непрерывном изменении скорости резания, учитывающее явления наследственности и эволюции деформационных процессов:

<Л8р,-=с1ёр0-

2зт2

(14)

где Р0 и Р, - соответственно начальное и текущее значений угла сдвига при

скоростях у0 и V,; - коэффициент относительной толщины зоны сдвига.

Для случая обработки с переменной толщиной срезаемого слоя предложена схема изменения положения условной плоскости сдвига, учитывающая явление запаздывания пластической деформации в зоне контакта стружки с передней поверхностью инструмента от скорости изменения толщины срезаемого слоя (рис. 1, б).

Получена зависимость для расчета текущего значения угла сдвига Р,, учитывающая его начальное значение Р0 при толщине среза а0 и скорость аа изменения толщины срезаемого слоя

Ро

1-С„ -!п

-а- Ат

ал+а- Ат

где Са и ха - коэффициенты, зависящие от скорости изменения толщины срезаемого слоя.

Установлено, что запаздывание в изменении положения плоскости сдвш а определяется временем, необходимым на изменение толщины среза на величину, равную средней толщине слоя стружки, заторможенной в зоне пластического контакта на передней поверхности инструмента.

Разработана модель для расчета параметров напряженного состояния зоны контакта инструмента с деталью, учитывающая особенности развития деформационных процессов при нестационарном резании как в зоне сдвига, так и в пределах контакта стружки с передней поверхностью инструмента, представленная на рис. 2.

Получено выражение, связывающее напряжения сжатия р в зоне сдвига с текущими значениями угла сдвига и касательных напряжений, а также коэффициентом относительной толщины зоны стружкообразования, непосредственно зависящим от ускорения резания:

Установлено, что при нестационарном резании, в связи с изменением угла сдвига в результате переменности скорости резания, возможна минимизация угла между результирующей силой резания и условной плоскостью сдвига, что приводит к снижению скоростной зависимости силы резания при определенных значениях ускорения резания и скорости изменения подачи инструмента.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований обрабатывемости и фрикционного взаимодействия инструмента с деталью при нестационарных режимах резания.

Рис. 2. Схема действия сил при изменении угла сдвига

(16)

В начале главы обоснован выбор обрабатываемых и инструментальных материалов, описаны методики экспериментальных исследований, разработанные установки и аппаратура.

При исследовании параметров обрабатываемости и фрикционного контактного взаимодействия использовали труднообрабатываемые конструкционные материалы пяти групп обрабатываемое™ по классификации Я.Л. Гуревича, применяемые в авиастроении, энергомашиностроении и производстве специзделий, обладающие существенно различным химическим и структурно-фазовым составом, физико-механическими свойствами.

В качестве инструментальных материалов для исследований были выбраны представители трех основных групп твердых сплавов: ВК4, ВК6, ВК6М, ВК8, ВКЮОМ, ВКЮХОМ, Т15К6, ТТ8К6.

Разработан комплекс методического обеспечения и лабораторных установок, использующий общую физическую модель локального контакта единичной микронеровности инструментального материала с обрабатываемым для определения прочностных, деформационных, диссипативных и | термоэлектрических характеристик контактного взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов.

В результате проведенных исследований впервые обнаружено совпадение в аномальном поведении температурных зависимостей физико-механических характеристик контактного взаимодействия: резкое снижение сдвиговой прочности фрикционной (адгезионной) связи, минимум пластичности контакта в зоне так называемого «предварительного смещения», резкое возрастание коэффициента диссипации энергии, а также инверсия градуировочных зависимостей термопары «резец-деталь» в зоне высокотемпературной хрупкости (температуры «провала пластичности») 1 обрабатываемого материала. Установлено, что этим же температурам для всех исследованных сочетаний материалов детали и инструмента соответствуют , оптимальные по критерию минимальной интенсивности износа инструмента температуры резания, что позволило сделать заключение о том, что появление оптимальных температурно-ресурсных зон эксплуатации режущего инструмента обусловлено прежде всего явлениями изотермического теплового эффекта при фазовых превращениях I и П рода в обрабатываемом материале, идущих с поглощением механической энергии, подводимой к зоне контакта, на перестройку кристаллической решетки приконтактных слоев обрабатываемого материала и снижение доли энергии, поступающей в инструментальный материал и идущей на накопление его внутренней энергии, повреждаемость и разрушение в виде износа. Установлено, что инструментальный материал, в силу различного химического сродства и различного фрикционного взаимодействия с обрабатываемым, изменяет

соотношение кинетических характеристик структурно-фазовых превращений в обрабатываемом материале, способствуя изменению температуры минимума контактной пластичности и оптимальной температуры резания.

Проведены исследования влияния внутренней и внешней нестационарности на составляющие силы резания и температуру резания при точении на станке с УЧПУ по управляющим программам, позволяющим осуществить непрерывное изменение скорости резания, подачи инструмента и глубины резания со скоростями, различными как по величине, 1ак и по знаку. Диапазон и скорости изменения элементов режима резания определялись на основании предварительных экспериментов с учетом габаритных размеров и технологических требований к типовым деталям ГТД.

Впервые установлено, что зависимость силы резания Р: от скорости резания (рис. 3) и подачи инструмента при нестационарном резании аналогична закономерностям стационарного процесса, но ускорение резания и скорость изменения подачи оказывают самостоятельное, непосредственное влияние на силу резания. Скорость изменения глубины резания а, самостоятельного влияния на Рг не оказывает. Подача инструмента и скорость ее изменения в большей степени влияют на Рг, чем скорость и ускорение резания. Обработка с непрерывным изменением скорости и подачи инструмента обеспечивает меньший уровень силовых зависимостей, чем стационарная обработка, вследствие запаздывания в снижении угла сдвига, сокращения размеров зоны первичных пластических деформаций при опережающем перемещении главной режущей кромки резца по отношению к наружной (свободной) поверхности зоны сдвига, увеличения интенсивности изменения угла сдвига с1$/с1У, снижения напряжений сдвига и удельных нагрузок на контактных поверхностях инструмента.

Рис. 3. Влияние скорости и ускорения резания на силу резания при точении сплава ХН73МБТЮ резцом ВК8 (£=0,1 мм/об, /=0,5 мм): О - а, = 0 м/мин2; А - а, = 0,9 м/мин2; 0 - й„ = 3,6 м/мин2; □ - а, = 2,7 м/минг; V - а, = 6,0 м/мин2

Внутренняя нестационарность процесса резания, связанная с необратимым ростом фаски износа инструмента по задней поверхности и увеличения при этом силы резания, может быть частично скомпенсирована за счет ускорения резания, снижающего составляющую силы Р1, действующую на переднюю поверхность инструмента.

Впервые установлено, что ускорение резания (рис. 4), скорости изменения подачи и глубины резания оказывает непосредственное влияние на среднюю температуру резания, снижая интенсивность ее нарастания при положительных значениях ау, а$ , а, , и замедляя ее снижение при отрицательных ускорениях по сравнению со стационарными режимами обработки, вследствие известной инерционности тепловых процессов по отношению к скорости изменения интенсивности источников тепла; снижения силовой нагруженности зоны резания при нестационарных режимах и уменьшения интенсивности тепловыделения как в зоне сдвига, так и на контактных поверхностях инструмента; увеличения коэффициента теплоотдачи по задней поверхности инструмента; снижения эффекта подогрева зоны контакта теплом зоны первичных деформаций; сокращения эффективной глубины проникновения тепловой энергии в приконтактные слои инструмента и относительного снижения их объемной температуры с ростом ускорения и эквивалентного ему сокращения времени контактирования в пределах передней

Рис. 4. Влияние скорости резания на температуру резания при точении сплава ХН73МЫЮ резцом ВК8 с различными ускорениями резания (5-0,1 мм/об; Г0,5 мм; Аз = 0,1 мм): О - а, = 0 м/мин2; Д - av- +0,9 м/мин2; О - а„ = ± 2,7 м/мин2; 0 - av = ±3,6 м/мин2; V - а„= ±6,0 м/мин2

На основе теплофизического анализа с использованием метода источников тепла сделано заключение о роли заторможенной зоны на передней поверхности инструмента, как термодинамически устойчивой, саморегулирующейся системы, в пределах которой изменение внешнего воздействия самопроизвольно тормозится в результате процессов внутреннего

трения и снижения интенсивности тепловыделения до минимального уровня при определенных значениях ускорения резания.

В пятой главе проведен анализ влияния элементов режима резания на составляющие уравнения баланса диссипативных функций.

При этом, в соответствии с системным подходом к процессу резания как объекту управления, рассматривались отдельно факторы внутренней нестационарности вследствие необратимого роста износа инструмента, внешней нестационарности при функционально изменяемых режимах обработки, и их совокупное влияние.

При точении с переменной скоростью резания интенсивность нарастания механической нагруженности зоны резания зависит от величины и знака

ускорения а„ резания. Впервые установлено, что существует некое оптимальное значение положительного ускорения резания, обеспечивающее наименьший уровень затрат удельной механической энергии в диапазоне рациональных скоростей резания. Обработка с отрицательным ускорением не оказывает существенного влияния на уровень энергетической нагруженности зоны резания по сравнению со стационарным режимом резания.

При точении с переменной подачей инструмента энергетическая нагруженность зоны резания изменяется немонотонно; установлен эффект стабилизации при достижении определенного критического значения

подачи, связанного с опережающим влиянием интенсивности нарастания износа инструмента по сравнению с увеличением длины пятна контакта стружки с передней поверхностью резца.

Рассмотрено влияние скорости резания и фаски износа инструмента на ДФ механической и тепловой энергий на задней поверхности инструмента (рис. 5). Удельные затраты механической энергии с увеличением скорости резания и фаски износа инструмента возрастают, но при переходе в зону катастрофического (/15= 0,6 мм) износа интенсивность нарастания (¡7 падает.

ДФ рассеиваемой тепловой энергии имеет более сложную скоростную зависимость, основной тенденцией которой является сближение рз и в

диапазоне средних скоростей (температур) резания и значительное отклонение при высоких скоростях, тем большее, чем выше износ инструмента.

Необратимость диссипативных процессов обеспечивается соответствующими потоками энтропии. В связи с этим произведены расчеты скорости производства энтропии = 1/0 • Щ от действия внешних сил и

скорости ее изменения, обусловленной тепловыми процессами = 1/0 • у/^

УУ,х106, Шмс

600

Ч»зхЮ6, Н/ыс от»-

0,33 0,5 0,67 0,23 1,0 I/, м/с

0,33 0,3 0,67 0^3 1,0 V, м/с

а

б

Рис. 5. Влияние скорости резания на диссипативные функции механической (о) и рассеиваемой тепловой (А) энергий при различных фасках износа

инструмента (ХН73МБТЮ-ВК8): а - А3 = 0,2 мм; 6 - % = 0,6 мм

при различных фасках износа Л3 и скоростях резания. Графическим представлением уравнения баланса диссипативных функций в форме скоростей изменения энтронии являются зависимости Б'р - /), на которые пунктиром

нанесены линии полной трансформации механической энергии в тепловую при условии . Общей для полученных зависимостей является тенденция

стремления к максимально полной трансформации (5^=5^) механической энергии в тепловую при определенных критических значениях З'р и . Наиболее значимой и сложной является зависимость О^) для задней поверхности инструмента, представленная на рис. 6.

Полученная зависимость ) позволяет сделать заключение о

существовании энергетически оптимальной зоны эксплуатации режущего инструмента (зона П на рис. 6) в пределах которой наблюдается наиболее полная диссипация механической энергии в тепловую и отвод ее из зоны контакта термопластически деформированным приконтактным слоем /¡д^

обработанной поверхности детали. Указанная зона ограничена снизу оптимальной температурой резания 0О. Верхняя температурная граница в соответствии с работами Т.Н. Лоладзе, по-видимому, соответствует

xlO3, Н/m с К 550

500

450

400

350

300

250

200

150

100

О 50 1 00 150 200 250 xlO3,Н/м с К

Рис. 6. Зависимость между механической S'p и тепловой Sd составляющими

скорости производства энтропии для задней поверхности инструмента при различных значениях V и Л3 (ХН73МБТЮ-ВК8)

температуре потери формоустойчивости задней поверхности инструмента и может быть связана с началом интенсивного диффузионного износа режущего инструмента.

Минимизация интенсивности износа обеспечивается в узком оптимальном диапазоне температур контакта за счет максимальной трансформации подводимой к зоне контакта механической энергии в тепловую вследствие совокупного влияния предельной локализации энергии в приконтактных слоях обрабатываемого материала при эндотермических структурно-фазовых превращениях и максимально быстрого ее отвода от контактных поверхностей инструмента за счет увеличения сплошности и снижения до минимального значения толщины термопластически деформированного слоя обрабатываемого материала.

В качестве параметров, характеризующих термодинамические структурно-чувствительные свойства контактирующих материалов, отражающих физико-химическую природу процессов, протекающих в деформируемых локальных объемах, предложено использовать относительные безразмерные критерии:

- коэффициент трансформации энергии х = , характеризующий

/ У р

способность обрабатываемого материала необратимо превращать затраченную

i

i

ц

1 5» i

К

/ í s ¡ i

.у 1 ■ i ¡ i ; |

У I ■ i и i inij

механическую энергию в тепловую;

- коэффициент поглощения энергии 6 = ^ у^г. , характеризующий

/ ™ р

способность изнашиваемого инструментального материала необратимо поглощать затраченную энергию.

Таким образом, уравнение баланса диссипативных функций в критериальном виде

х(т)+б(т)=1. (17)

Зависимости х(°) ПРИ различных вариантах нестационарного резаьия представлены на рис. 7. Общей закономерностью х(9) является наличие минимума (стремление к единице) при определенных температурах резания и преимущественное влияние положительных ускорений резания на минимальное значение х(6).

Рис. 7. Влияние температуры резания, модифицированной по скорости деформации, на коэффициент трансформации механической энергии в тепловую при различных ускорениях резания: ХН73МБТЮ - ВК8 (¿' = 0,1 мм/об; t - 0,5 мм)

О - а, = 0 м/мин2; А - а, = 0,9 м/мин2; LI - а„ "= 2,7 м/мин2;

0 - а, = 3,6 м/мин2; V - av = -6,0 м/мин2

Таким образом, на основе анализа синхронизма механических и тепловых явлений установлено существование оптимальных температурно-ресурсных зон эксплуатации режущих инструментов, в пределах которых наблюдается максимально полная трансформация и диссипация механической энергии из зоны контакта инструмента с деталью, чем обеспечивается снижение термодинамической нагруженности приконтактных слоев инструмента.

Обеспечение и управление таким состоянием изнашиваемых

поверхностей инструмента может быть достигнуто за счет выбора диапазона элементов режима резания и определенной оптимальной скорости их изменения в процессе резания.

В шестой главе рассмотрены методы интенсификации нестационарного резания по термодинамическим условиям минимизации интенсивности износа инструмента; предложены способы ускоренного определения оптимальных режимов нестационарного резания, технологические рекомендации по рациональным режимам обработки жаро- и особопрочных конструкционных материалов.

В результате стойкостных экспериментов установлено (рис. 8), что зависимость интенсивности износа инструмента от скорости резания для нестационарного точения имеет экстремальный характер, так же, как и для стационарной обработки. Причем для нестационарного точения минимум Ит наблюдается при скоростях резания, несколько больших, чем для стационарного точения. Это в работе объясняется запаздыванием процесса тепловыделения при пластической деформации, снижением силы резания и изменением условий формоустойчивости режущего клина.

Показано, что зависимость интенсивности износа инструмента от температуры резания имеет минимум при температуре 0ОПТ, которая не зависит от знака и величины ускорения резания, скоростей изменения подачи и глубины резания и совпадает с 0ОГ1Т при стационарном точении.

Определена область минимального производства энтропии (рис. 9) в виде температурного диапазона, нижняя граница которого совпадает с температурой максимума релаксационных процессов в модифицированном приконтактном слое обрабатываемого материала, а верхняя обусловлена потерей формоустойчивости режущей кромки инструмента. Установлено, что нижняя температурная граница (оптимальная температура резания) инвариантна к изменению режима обработки и является физической константой для сочетания материалов детали и резца, а величина верхней температурной границы снижается при возрастании общего уровня механической нагруженности контакта инструмента с деталью.

Получено условие минимизации интенсивности износа за счет назначения оптимального темпа изменения скорости резания при минимуме производства энтропии на задней поверхности инструмента, на основании чего предложен способ ускоренного определения оптимального режима нестационарного резания (патент РФ № 2207935).

При этом алгоритм для расчета оптимального ускорения резания по мере роста пути / резания представлен в виде зависимости

0,5 0,67 0,83 1,0 1,3 V, м/с

Рис. 8. Влияние скорости и ускорения резания на интенсивность износа инструмента и температуру при точении сплава ХН73МБТЮ резцом ВК6М: о - с„ = 0 м/мин2; Д - а, = 12,4 м/мин2; □ - ау = -12,4 м/мин2; 0 - = 3,6 м/мин2

а.. ='

±1

(18)

Для более общего случая из условия сохранения баланса ДФ интенсивность изменения скорости резания, компенсирующая увеличение силы резания и теплосодержания в зоне резания при росте фаски износа (условие термодинамического равновесия), составит

к -

й71пу _ х~1

я'г+Чы дИ2~АА) Чы ?Дх-1)

(19)

где гр- показатель степени в зависимости Р.(у); ^ и ^ - средние

удельные касательная и нормальная нагрузки на задней и передней поверхности инструмента; А - длина контакта детали с задней поверхностью при нулевой фаске износа.

Результаты экспериментальной проверки зависимости (19) представлены на рис.10, показывающем, что в случае управляемой вариации скорости резания для оптимального температурного диапазона 0ОПТ - 0 , период

Рис 9. Влияние температуры на задней поверхности на скорость производства энтропии в при-контактном слое инструмента и интенсивность его износа при точении сплава ХН73МБТЮ резцом

___J_ 1. ___

773 873 973 1073 1173 1173

ВК8

(5=0,097 мм/об, М),5 мм)

стойкости инструмента Т может быть увеличен в 2 раза при сохранении средней скорости резания, или в 1,5-2 раза повышена производительность обработки при постоянном значении пути / резания до критерия затупления йз<0,5 мм.

Для группы жаропрочных сплавов на никелевой основе определены оптимальные значения в зависимости от содержания в сплаве упрочняющей у'-фазы. Лабораторная и промышленная проверки на операциях токарной с ЧПУ обработки дисков и валов ГТД ряда изделий авиадвигателестроения показали возможность повышения средней скорости резания на 15-20% и сокращения расхода инструмента на 25-30% по сравнению с отраслевыми нормативами.

Предложены методы и алгоритмы управления процессом обработки на станках с ЧПУ и мехатронных станочных системах за счет регулирования режима резания с оптимальной интенсивностью его изменения по мере роста износа инструмента из условия наиболее полного термодинамического равновесия силовых и тепловых процессов на изнашиваемой поверхности.

Для обоснования эффективности нестационарного точения разработана методика и проведен расчет основных технико-экономических показателей обработки с учетом переменности элементов режима резания, подтвердившие возможность снижения себестоимости обработки при точении с оптимальной интенсивностью изменения скорости резания.

т.

A'v 0,3 0.2

0.1

3,2

3,0

г«

2,4 2,2 2,0

9 ®«P10 11 1/0. К

10 20 30 40 JO » К

a

6

Рис. 10. Влияние скорости (а) и температуры (б) на параметры обрабатываемости при стационарном (О) и нестационарном (Д) режимах резания сплава ХН73МБТЮ резцом ВК8 (5= 0,11 мм/об; t = 0, 5 мм)

Разработаны и внедрены в производство технологические рекомендации по рациональным режимам обработки жаропрочных сплавов на никелевой основе, комплекс справочных данных по режимам резания и инструменту для автоматизированных модулей механообработки деталей из труднообрабатываемых материалов.

Основные выводы и результаты

Проведенный комплекс исследований позволил выполнить теоретическое обобщение и описание физического и феноменологического механизма взаимодействия и синхронизма механических и тепловых явлений в зоне контакта инструмента с деталью, определяющего условия минимизации интенсивности износа инструмента, и решить важную научную проблему разработки термодинамических принципов обеспечения управляемости и интенсификации нестационарной лезвийной обработки деталей из труднообрабатываемых материалов для повышения эффективности эксплуатации мехатронных станочных систем.

1. Впервые на основе структурно-энергетического анализа лезвийной обработки с использованием положений термодинамики неравновесных

процессов получено аналитическое описание предельного состояния материалов детали и инструмента в основных зонах упругопластической деформации при резании в виде уравнения баланса диссипативных функций затраченной (механической) энергии, тепловыделения при пластической деформации и изнашивании инструмента, позволяющее проводить качественную и количественную оценку удельной механической и тепловой нагруженности приконтактных слоев инструмента для определения условий е! о высокой работоспособности.

2. Разработан комплекс методического обеспечения и лабораторных установок, использующих общую физическую модель локального контакта единичной микронеровности инструментального материала с обрабатываемым, с имитацией температурно-силового режима фрикционного взаимодействия при резании металлов для определения прочностных, деформационных, диссипативных и термоэлектрических характеристик контактного взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов.

3. Предложены модели для расчета параметров напряженно-деформированного состояния зоны стружкообразования с учетом запаздывания в изменении интенсивности пластических деформаций в зоне сдвига по отношению к скорости изменения элементов режима резания. Показана возможность снижения напряжений сдвига, удельных нагрузок на контактных поверхностях инструмента, возмущений упругой системы станка вследствие увеличения угла наклона условной плоскости сдвига, снижения среднего коэффициента трения и размеров зоны пластической деформации на передней поверхности инструмента при определенных значениях ускорения резания и скорости изменения подачи.

4. Впервые установлено совпадение в аномальном поведении температурных зависимостей физико-механических характеристик контактного взаимодействия: резком снижении сдвиговой прочности фрикционной (адгезионной) связи, минимуме пластичности контакта, возрастании коэффициента диссипации энергии, инверсии градуировочных зависимостей термопары «резец-деталь» в зоне высокотемпературной хрупкости обрабатываемого материала. Установлено, что этим же температурам соответствуют оптимальные по критерию минимальной интенсивности износа инструмента температуры резания, что обусловлено прежде всего явлениями изотермического теплового эффекта при фазовых превращениях I и II рода в обрабатываемом материале, идущими с поглощением механической энергии, подводимой к зоне контакта, снижением доли энергии, расходуемой, повреждаемость и износ инструмента. Инструментальный материал влияет на соотношение кинетических характеристик деформации и структурно-фазовых превращений в обрабатываемом материале, способствуя изменению

температуры экстремума контактных параметров и оптимальной температуры резания.

5. Впервые установлено, что ускорение резания и скорость изменения подачи оказывают непосредственное влияние на силу резания и* среднюю температуру резания, снижая интенсивность их нарастания при положительных и замедляя снижение при отрицательных значениях а„ и а, по сравнению со стационарными режимами обработки, что связано как с инерционностью тепловых процессов по отношению к скорости изменения интенсивности источников тепла, так и с изменением параметров НДС.

Внутренняя нестационарность процесса, связанная с необратимым ростом износа инструмента, может быть полностью или частично скомпенсирована за счет выбора оптимальной величины скорости изменения элементов режима резания, при этом изменение температуры наиболее эффективно компенсируется ускорением резания, а силы резания - скоростью изменения подачи инструмента.

6. Впервые на основе количественного анализа скоростей производства энтропии и ее отвода из зоны контакта термопластически дефомированными слоями обрабатываемого материала усыновлено существование оптимальных температурно-ресурсных зон эксплуатации режущих инструментов, в пределах которых наблюдается максимально полная трансформация и диссипация механической энергии из зоны контакта инструмента с деталью, чем обеспечивается снижение термодинамической нагруженности приконтактных слоев инструмента. Доказано, что обеспечение и управление таким состоянием изнашиваемых поверхностей инструмента достигается за счет выбора диапазона элементов режима резания и определенной оптимальной скорости их изменения в процессе резания.

Установлено, что нижняя температурная граница (оптимальная температура резания) инвариантна к изменению режима обработки и является физической константой для сочетания материалов детали и резца, а величина верхней температурной границы, связанная с потерей формоустойчивости режущей кромки инструмента, снижается при возрастании общего уровня механической нагруженности зоны резания.

7. Разработаны ускоренные расчетно-экспериментальные методы определения обрабатываемости (патент РФ № 2247963), оптимальных режимов нестационарного резания (патент РФ №2207935), подачи инструмента и режущей способности инструментального материала (а.с. №№1386373, 324389, 1419296, 293378), позволяющие существенно сократить сроки технологической подготовки производства при освоении новых конструкционных материалов и повысить точность рекомендаций но оптимальным режимам обработки и уставкам для САУ процесса резания.

8. Предложены и реализованы новые методы повышения эффективности мехатронных станочных систем за счет увеличения износостойкости инструмента, производительности и экономичности обработки, заключающиеся в задании начального уровня режима резания в пределах установленного оптимального температурного диапазона и алгоритмов изменения режима обработки из условия максимально полного равновесия (синхронизма) механических и тепловых процессов в зоне резания. Разработаны технологические рекомендации по рациональным режимам нестационарного резания для основных групп труднообрабатываемых материалов и отдельно -для жаропрочных сплавов на никелевой основе с учетом известных варьируемых условий обработки. Практическая реализация результатов исследований осуществлена как путем внедрения на машиностроительных предприятиях конкретных практических рекомендаций по оптимальным режимам обработки и инструменту, так и в виде информационного обеспечения автоматизированных модулей механообработки в международной сети инжиниринговых центров по комплексной автоматизации и созданию интегрированных проектао-производственных систем.

Всего по теме диссертации опубликовано 67 работ, в числе которых следующие публикации, отражающие основные научные и практические результаты:

1. Постнов В.В. Исследование закономерностей нестационарных процессов резания // Вестник УГАТУ. Науч. журнал. №2. Уфа: УГАТУ, 2000. С. 203-207.

2. Постнов В.В. Термодинамические критерии оценки температурно-силового нагружения зоны контакта инструмента с деталью // Технология машиностроения, 2005. № 4(34). С. 8-11.

3. Постнов В.В. Термодинамические принципы обеспечения управляемости процесса резания // Вестник УГАТУ. №6(12). Уфа, 2005. С. 98-106.

4. Постнов В.В. Термодинамические условия образования оптимальных температурно-ресурсных зон эксплуатации режущего инструмента // Приводная техника, 2005. №4. - С. 18-22.

5. Постнов В.В. Термодинамические аспекты обрабатываемости резанием жаропрочных никелевых сплавов // Известия вузов. Машиностроение, 2005. № 9. С. 47-49.

6. Постнов В.В., Шолом В.Ю., Шустер Л.Ш. Методы и результаты оценки контактного взаимодействия применительно к процессам металлообработки. М.: Машиностроение, 2004. 103 с.

7 Макаров В.Ф., Касимов Л.Н., Постнов В.В. Автоматизация расчета протяжного блока для обработки замков турбинных лопаток // Станки и инструмент, 1980. №1. С. 15-16.

8. Катаев А.Ш., Постнов В.В.Исследование влияния условий пластического деформирования сплава ВТ9 на его контактное взаимодействие с твердым сплавом ВК8 // Трение и износ. Минск: Наука и техника, 1982. Том 3, № 6. С. 1332-1334.

9. Постнов В.В., Исаева О.Г. Исследование температурно-скоростных зависимостей для ускоренного определения обрабатываемости деталей ГТД//Авиационная промышленность, 1986. №1. С. 27-28.

10. Шустер Л.Ш., Постнов В.В. Влияние элементов режима резания на температурно-скоростные условия пластической деформации обрабатываемого материала // Технология машиностроения. №6(24). 2003. С. 16-20.

11. A.c. № 1211640 СССР. Способ определения оптимальной скорости резания при обработке материала / Канзафаров P.C., Янбухтин P.M., Постнов В.В. (СССР). - № 1211640. Опубл. 29.01.85.

12. A.c. №1386373 СССР. Способ определения допустимой подачи при токарной обработке / Постнов В.В., Садыгов Т.И., Кривошей В.М., Гасанов К.А., Бакаров Б.С. (СССР). №1386373. Опубл. 07.04.88, Бюл. № 13.

13.A.c. №1430181 СССР. Способ определения оптимальной скорости резания при сверлении / Дмитриев A.C., Постнов В.В., Никин А.Д., Антонова Л.В. (СССР)№ 1430181. Опубл. 15.10.88, Бюл. №38.

14. Пат. №2247936 РФ. Способ ускоренного определения оптимальных режимов нестационарного резания / Постнов В.В., Мигранов М.Ш., Шарапов Е.А. (РФ). - № 220793. Опубл. - 10.2003, Бюл. № 19

15 Пат. № 2247936 РФ. Способ оценки обрабатываемости / Постнов В.В., Шарапов Е.А., Паршина М.В. (РФ). - № 2247936. Опубл. 2005, Бюл. № 7.

16. Постнов В.В., Шарипов Б.У., Шустер Л.Ш. Влияние температуры на механические характеристики контакта // Вопросы оптимального резания металлов: Межвуз. науч. сб. Вып. 1. Уфа: УАИ, 1976. С. 87-91.

17. Постнов В.В. К методике изучения динамики процесса межмолекулярного взаимодействия // Вопросы оптимального резания металлов: Межвуз. науч. сб. Вып. 1. Уфа: УАИ, 1976. С.122-125.

18. Постнов В.В. Исследование тепловых зон хрупкости фрикционного контакта // Оптимизация процессов резания жаро- и особопрочных материалов: Межвуз. науч. сб. Вып. 5. Уфа: УАИ, 1981. С.78-83.

19. Доброрез А.П., Постнов В.В. Роль структурно-энергетических процессов в образовании оптимальных температурно-ресурсных зон эксплуатации режущего инструмента // Оптимизация процессов резания жаро- и особопрочных материалов: Межвуз. науч. сб. Уфа: УАИ, 1986. С. 3-5.

20. Янбухтин P.M., Канзафаров P.C., Постнов B.B. О некоторых физических причинах изменения интенсивности вибрационных явлений при резании жаропрочных материалов // Оптимизация процессов резания жаро- и особопрочных материалов: Межвуз. науч. сб., - Уфа: УАИ, 1988 С. 85-90.

21. Постнов В.В., Карюгина JI.B, Бахтияров Б.М. Термоэлектрические характеристики локального фрикционного контакта // Оптимизация процессов резания жаро- и особопрочных материалов: Межвуз. темат. науч. сб. Уфа: УАИ, 1989. С. 149-152.

22. Постнов В.В., Шарипов Б.У., Шустер Л.Ш. Процессы на контактных поверхностях, износ режущего инструмента и свойства обработанной поверхности: Учеб. пособие. Свердловск: Изд-во Урал, ун-та, 1988.224 с.

23. Шустер Л.Ш., Постнов В.В. Установка УОМИМ для ускоренного выбора оптимальной марки инструментального материала, работающего в условиях адгезионного износа // Научно-технические достижения: Межотрасл. науч.-техн. сб. Вып. 2. М.: ВИМИ, 1990. С. 3-5.

24. Зориктуев В.Ц., Шустер Л.Ш., Постнов В.В., Дерябина С.А. Режимы лезвийной обработки деталей ГТД: Учеб. пособие. - Уфа: УАИ, 1991. 90с.

25. Зориктуев В.Ц., Латылов P.P., Постнов В.В., Никин А.Д. Диагностика состояния режущего инструмента в автоматизированном производстве: Учеб. пособие. Уфа: УГАТУ, 1994. 58 с.

26. Зориктуев В.Ц., Постнов В.В. Физические и математические модели процессов контактного взаимодействия для управляемых станочных систем // Новые технологии в машиностроении: Международн. конф. -Харьков, 1994. С. 25-28.

27 Постнов В.В. Математические модели изнашивания инструментов при нестационарном точении // Технология механообработки: физика процессов и оптимальное управление: Тр. Международн. науч.-техн. конф. Ч 1. Уфа: УГАТУ, 1994. С. 96.

28 Зориктуев В.Ц., Постнов В.В., Мигранов М.Ш. Круглое O.A. Управление интенсивностью износа режущего инструмента при нестационарном точении // Вестник Верхневолжского отд. Акад. техн. наук РФ. Рыбинск: РГАТА, 1995. С. 51-52.

29 Постнов В.В. Исследование стружкообразования при нестационарном резании // Автоматизированные технолог, и мехатронные системы в машиностроении: Сб. науч. тр. - Уфа: УГАТУ, 1997. С.39-43.

30. Зориктуев В.Ц., Постнов В.В., Мигранов М.Ш. Исследование электропроводимости контакта инструмент - деталь (ЭП КИД) при нестационарном точении // Проблемы машиноведения конструкционных материалов и технологий: Сб. науч. тр. Уфа: Гилем, 1997. С. 18-21.

31. Постнов В.В. Структурно-энергетический анализ процесса нестационарного точения И Автоматизированные технол. и мехатронные системы: Сб. науч. тр. 4.2. Уфа: УГАТУ, 1998. С. 48-52.

32. Постнов В.В. Динамика износа контактных поверхностей режущего инструмента // Оптимальное управление мехатронными станочными системами: Сб. науч. трудов. Ч 2. Уфа: УГАТУ, 1999. С. 17-23.

33. Мигранов М.Ш., Постнов В.В., Шустер J1.UJ. Управление движением при нестационарном точении // Новые технологии управления движением технических объектов: Материалы III Международной науч.-техн. конф. Т. 4, Новочеркасск, 2000. С. 115-118.

34. Шустер Л.Ш., Постнов В.В., Мигранов М.Ш., Шарапов Е.А. Особенности напряженного состояния зоны контакта инструмента с деталью при нестационарных режимах обработки элементов ГТД // Механика и прочность авиационных конструкций: Всеросс. науч.-техн. конф. Сб. тр. Уфа: УГАТУ, 2001. С. 39-42.

35. Постнов В.В. Модель формоизменения режущего инструмента // Интеллектуальные мехатронные станочные системы: Сб. науч. тр. Уфа: УГАТУ, РИО БашГУ, 2003. С. 23-28.

36. Постнов В.В., Шарапов Е.А., Паршина М.В. Определение обрабатываемости по температурно-силовым зависимостям процесса механообработки // Интеллектуальные мехатронные станочные системы: Сб. науч. тр. Уфа: УГАТУ, РИО БашГУ, 2003. С. 61-63.

37. Зориктуев В.Ц., Постнов В.В., Шарапов Е.А. Термоактивационные модели в системах управления процессом нестационарного резания // Интеллектуальные мехатронные станочные системы: Сб. науч. тр. Уфа: УГАТУ, РИО БашГУ, 2003. С. 54-60.

38. Постнов В.В. Термодинамические условия минимизации интенсивности износа инструмента // Оптимизация и управление процессом резания, мехатронные станочные системы: Сб. науч. тр. Уфа. РИО БашГУ, 2004.

39. Зориктуев В.Ц., Постнов В.В., Паршина М.В. Термодинамическое описание контактных процессов при нестационарном резании // Динамика технологических систем: Сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2004.

С.47-56.

С. 23-25.

ПОСТНОВ Владимир Валентинович

Интенсификация нестационарного резания труднообрабатываемых материалов на основе оптимизации термодинамических условий изнашивания режущего инструмента

Специальность 05.03.01 - «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано к печати 19.10.05. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Усл. печ.л. 2,0. Усл. кр.-отт. 2,0. Уч.-изд.л. 1,9. Тираж 100 экз. Заказ № 466.

ГОУВПО «Уфимский государственный авиационный технический

университет» Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа-центр, ул. К.Маркса, 12

Р20 2 75

РНБ Русский фонд

2006-4 18714

Введение.

1. Анализ состояния проблемы нестационарного резания а труднообрабатываемых материалов.

1.1. Элементы режима нестационарного резания.

1.2. Систематизация факторов, определяющих нестационарность процесса резания.

1.2.1. Входные технологические параметры нестационарной обработки

1.3. Анализ теоретических и экспериментальных исследований нестационарных процессов резания.

1.3.1. Анализ исследований механики нестационарного резания

1.3.2. Анализ температурных исследований при нестационарном резании.

1.3.3. Анализ исследований износостойкости режущего инструмента при нестационарных режимах обработки.

1.4. Термодинамическме модели процесса лезвийной обработки

1.5. Выводы. Цели и задачи исследования.

2. Структурно-энергетический анализ процесса резания на основе термодинамики неравновесных процессов.

2.1. Общие представления об энергетическом анализе контактных ф процессов при механообработке. ^

2.2. Диссипативная функция внешних сил (сил резания).

2.3. Диссипативная функция процесса пластической деформации

2.4. Диссипативная функция процесса формоизменения контактных поверхностей инструмента и образования новых свободных поверхностей при его изнашивании.

2.5. Уравнение баланса диссипативных функций.

Выводы по главе 2.

3. Теоретические и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния зоны стружкообразования при нестационарном резании.

3.1. Особенности развития процессов деформации и разрушения при динамическом нагружении металлов.

3.2. Деформированное состояние зоны контакта инструмента с деталью и его особенности при нестационарном резании. ^

3.2.1. Влияние изменения скорости резания на деформационные процессы в зоне стружкообразования.

3.2.2. Модель стружкообразования при нестационарном резании. Общие представления.

3.2.3. Влияние изменения параметров сечения срезаемого слоя на деформационные процессы в зоне стружкообразования.

3.3. Напряженное состояние в зоне контакта инструмента с деталью и силы резания при нестационарных режимах обработки.

3.3.1. Модель напряженного состояния зоны стружкообразования при нестационарном резании.

3.3.2. Напряженное состояние зоны контакта стружки с передней поверхностью инструмента.

Выводы по главе 3.

4. Результаты экспериментальных исследований обрабатываемости и фрикционного взаимодействия инструмента с деталью при нестационарных режимах резания.

4.1. Обрабатываемые и инструментальные материалы, выбранные для экспериментальных исследований.

4.2. Механические свойства исследуемых материалов.

4.3. Исследования контактных явлений между обрабатываемым и инструментальным материалами на установках, моделирующих зону локального контакта заготовки и инструмента.

4.3.1. Методическое обеспечение исследований трибомеханических характеристик контакта инструмента с деталью при физическом моделировании.

4.3.1.1. Методика исследования влияния температуры на прочностные параметры фрикционного контакта.

4.3.1.2. Методика исследования кинетики развития приконтактных деформаций при трении.

4.3.1.3. Методика исследования диссипативных характеристик локального фрикционного контакта.

4.3.2. Результаты экспериментальных исследований трибомеханических характеристик локального контакта инструментального и обрабатываемого материалов.

4.3.2.1. Влияние температуры на прочностные параметры фрикционного контакта.

4.3.2.2. Влияние температуры на деформационные характеристики фрикционного контакта.

4.3.2.3. Влияние температуры на диссипативные характеристикифрикционного контакта.

4.4. Исследование характеристик механики процесса резания.

4.4.1. Методика проведения исследований силовых параметров процесса резания.

4.4.2. Влияние элементов стационарного режима резания на составляющие силы резания.

4.4.3. Влияние скорости резания и износа инструмента на удельные нагрузки в зоне контакта инструмента с деталью

4.4.4. Исследование влияния режима нестационарной обработки на силы резания.

4.5. Исследование тепловых явлений при нестационарных режимах обработки.^^

4.5.1. Термоэлектрические характеристики естественных термопар резец-деталь.

4.5.2. Результаты экспериментального исследования температуры при нестационарном резании.

4.5.3. Теплофизический анализ процесса нестационарного резания

Выводы по главе 4.

5. Анализ составляющих уравнения термодинамического баланса при квазистационарном и нестационарном резании.

5.1. Влияние элементов режима резания на основные составляющие уравнения баланса диссипативных функций.

5.1.1. Влияние износа инструмента, как фактора внутренней нестационарности процесса резания на диссипацию механической энергии.

5.1.2. Влияние внешней нестационарности процесса резания на диссипацию механической энергии.

5.1.3. Влияние элементов режима резания на диссипативную функцию пластической деформации обрабатываемого материала.

5.2. Баланс механической и тепловой энергий при нестационарном резании

5.2.1. Анализ условий наиболее полной диссипации энергии за счет локализации температуры в приконтактных слоях обрабатываемого материала.

5.2.1.1. Влияние скорости резания и износа инструмента на условия наиболее полной диссипации энергии.

5.2.1.2. Влияние параметров внешней нестационарности на условия наиболее полной диссипации энергии.

5.3. Анализ синхронизма механических и тепловых процессов в зоне резания.

5.4. Термодинамические критерии оценки температурно-силовой нагруженности зоны контакта инструмента с деталью.

Выводы по главе 5.

6. Методы интенсификации нестационарного резания по термодинамическим условиям минимизации интенсивности износа режущего инструмента.

6.1. Влияние элементов режима резания на параметры износостойкости инструмента при нестационарном точении

6.2. Влияниеэлементов режима резания на диссипативную фкнкцию формоизменения контактных поверхностей инструмента.

6.2.1. Взаимосвязь изнашиваемого и деформируемого объемов с учетом усталостного характера образования частицы износа

6.2.2. Влияние скорости и температуры резания на энергию формоизменения изнашиваемого обема.

6.3. Определение оптимальных температурно-ресурсных зон эксплуатации режущего инструмента.

6.4. Методы оптимизации режимов резания при нестационарном точении.

6.4.1. Термодинамические условия минимизации интенсивности износа инструмента при управляемой вариации скорости резания.

6.4.2. Термодинамические условия минимизации интенсивности износа для группы жаропрочных сплавов на никелевои основе.

6.4.3. Технико-экономическое обоснование эффективности нестационарного резания.

Выводы по главе 6.

Актуальность проблемы

В настоящее время, в соответствии с общемировой тенденцией интенсификации технологических процессов, лезвийная обработка вступает в новый этап повышения конкурентоспособности по сравнению с другими методами формообразования в связи с развитием мехатронных станочных систем, оснащенных интеллектуальным компьютерным управлением. Их использование наиболее эффективно для обработки сложнопрофильных деталей и предполагает высокую степень управляемости процесса резания при соблюдении принципов его внешней (на стадии технологической подготовки) и внутренней (на стадии реализации процесса) оптимизации.

Анализ конструктивных особенностей и технологических схем обработки деталей сложной конфигурации, применяемых в авиационной, энергетической, космической и других наукоемких отраслях машиностроения показывает, что подавляющее большинство поверхностей этих деталей (торцевые, конические, тороидальные) обрабатываются при непрерывном и закономерном изменении одного или нескольких параметров режима резания. Как правило, указанные детали изготавливаются из жаро- и особопрочных материалов, обладающих весьма низкой обрабатываемостью резанием вследствие высокой интенсивности износа режущего инструмента. Износ инструмента, даже при постоянстве режима резания, приводит к дестабилизации внутренних и выходных параметров процесса резания (силы и температуры резания, характеристик качества обработанной поверхности), на которые накладывается внешняя нестационарность от изменения входных управляемых и неуправляемых параметров режима резания, в том числе -обусловленная использованием систем автоматического управления, реализующих направленное изменение элементов режима резания для поддержания температурно-скоростного и силового режимов обработки на оптимальном уровне.

Вышеизложенное позволяет трактовать лезвийную обработку деталей сложной конфигурации из жаро- и особопрочных материалов на мехатронных станочных модулях и станках с ЧПУ, как управляемый нестационарный процесс, предъявляющий новые требования к виду и методам установления физико-математических зависимостей между переменными входными управляющими воздействиями и выходными параметрами процесса, обеспечивающими его технико-экономическую эффективность.

В настоящее время в условиях нестационарного резания режимы обработки назначаются, как правило, по предельным значениям диаметра обрабатываемой поверхности, глубины резания, подачи, геометрии инструмента и других переменных параметров. Возможную нестационарность учитывают введением поправочных коэффициентов на снижение элементов режима резания и периода стойкости инструмента. Управление режимом обработки на станках, оснащенных системами адаптивного управления и ЧПУ в основном базируется на закономерностях и уставках, полученных при стационарном резании и не учитывающих специфику протекания контактных процессов при переменных параметрах нагружения (запаздывание, технологическую наследственность, последействие и т.д.). Это приводит к неоправданному снижению производительности обработки, стойкости режущего инструмента, точности и качества обработанных деталей.

Как показал анализ опубликованных теоретических и экспериментальных исследований, это связано с недостаточной изученностью нестационарного резания вследствие сложившихся представлений об отрицательном влиянии переменности режима резания на размерную стойкость инструмента, качество и себестоимость обработанных деталей, значительной сложностью разработки математических моделей, адекватно описывающих динамику контактных процессов в условиях, далеких от термодинамического равновесия.

Вместе с тем, в последнее время получены существенные результаты, позволяющие проводить разработку новых методов управления лезвийной обработкой при использовании методов термодинамики неравновесных процессов для комплексного анализа контактных процессов в зоне обработки и износостойкости режущего инструмента с учетом взаимосвязи и взаимовлияния (синхронизма) механо-химических и тепловых явлений, протекающих в зоне контакта, трансформации свойств взаимодействующих поверхностей инструмента и детали в разнообразных условиях процесса резания. Как показали исследования, синхронизм механической и тепловой энергий в зоне обработки обеспечивает оптимальные условия резания и характеристики выходных параметров механообработки, вследствие чего представляет наиболее широкие возможности для управления технологическим процессом.

В связи с вышеизложенным, разработка термодинамических принципов обеспечения управляемости и интенсификации нестационарной лезвийной обработки деталей из труднообрабатываемых материалов для повышения эффективности эксплуатации мехатронных станочных систем является важной научной проблемой.

Актуальность диссертации подтверждается тем, что ее основу составляют выполненные автором исследования в рамках:

- межотраслевой научно-технической программы МАП СССР и Минвуза РСФСР «Авиационная технология» (направление 05.01, 1982-1990 гг.);

- научно-технической программы фундаментальных и прикладных исследований «Новые технологии и автоматизация производственных процессов в машиностроении» Госкомитета СССР по народному образованию (1989-1990 гг.);

- межвузовской программы «Научные исследования высшей школы в области производственных технологий» (раздел «Технология и оборудование для обработки изделий машиностроения, 2000 г.);

- грантов Минвуза РФ и Академии наук Республики Башкортостан (19922000 гг.);

- федеральной целевой программы «Государственной поддержки интеграции высшего образования и фундаментальной науки (направление 3, раздел 1.4., 1997-2006 гг.).

Исследования выполнены на кафедре автоматизированных систем управления государственного авиационного технического университета.

Научная новизна работы состоит в:

- разработке и теоретическом обосновании термодинамической модели управляемого нестационарного резания с учетом полноты диссипативных процессов в зоне контакта инструмента с деталью и затрат энергии на формоизменение режущего инструмента при его изнашивании;

- разработке моделей для расчета параметров напряженно-деформированного состояния зоны резания, учитывающих явление запаздывания пластической деформации в зоне сдвига при обработке с управляемым изменением элементов режима резания;

- установлении новых закономерностей силовых, температурных и деформационных характеристик процесса резания, учитывающих не только текущее значение элементов режима резания, но и скорости их изменения в процессе обработки;

- определении термодинамических условий, критериев и методов минимизации интенсивности износа инструмента, основанных на впервые установленном явлении существования энергетически оптимальной зоны эксплуатации режущего инструмента, в пределах которой наблюдается наиболее полная и быстрая диссипация механической энергии в тепловую и отвод ее от изнашиваемой поверхности термопластически деформированными приконтактными слоями обрабатываемого материала;

- разработке оптимальных условий и алгоритмов управления процессом механообработки на основе выявленных механизмов синхронизации механических и тепловых эффектов в зоне резания для повышения эффективности мехатронных станочных систем.

Практическая ценность и реализация результатов работы

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований:

- предложены методы и алгоритмы управления процессом обработки на станках с ЧПУ и мехатронных станочных системах за счет регулирования режима резания с оптимальной интенсивностью его изменения по мере роста износа инструмента из условия наиболее полного термодинамического равновесия силовых и тепловых процессов на изнашиваемой поверхности;

- разработаны технологические рекомендации по рациональным режимам обработки жаропрочных сплавов на никелевой основе, рекомендуемые справочные данные по режимам резания и инструменту для типовых ГПС механообработки деталей из труднообрабатываемых материалов;

- предложены инженерные методики и новые способы: ускоренного определения оптимальных режимов нестационарного резания (патент РФ № 2207935); оценки обрабатываемости (патент РФ № 2247963); определения оптимальной скорости резания при точении (а.с. № 1211640) и сверлении (а.с. № 1430181, 1371783); определения допустимой подачи инструмента (а.с. № 1386373, 324389); определения режущей способности инструмента (а.с. № 1419296, 293378); определения модуля упругости износостойкого покрытия (а.с. № 35997), позволяющие решать задачи сокращения сроков и трудоемкости технологической подготовки производства при построении операций обработки деталей из труднообрабатываемых материалов в управляемом нестационарном режиме;

- разработан комплекс методического и аппаратного обеспечения исследований процессов контактного взаимодействия инструмента с обрабатываемой деталью для экспресс-выбора рациональных марок инструментального материала и назначения оптимальных технологических режимов обработки.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены на крупных предприятиях машиностроения (ОАО «Пермский моторный завод», ФГУП ММПП «Салют»; ФГУП Кум.АПП, ФГУП УАП «Гидравлика», ФГУП УППО); разосланы в качестве руководящих технических материалов на предприятия авиадвигателестроения через Научно-исследовательский институт технологии и организации производства двигателей (ОАО НИИТ); в виде информационного обеспечения по режимам резания и режущему инструменту для типовых ГПС механообработки деталей используются в сети инженерных центров по комплексной автоматизации и созданию интегрированных проектно-производственных систем Института инноватики при СПбГПУ.

Научные и практические результаты данной работы вошли в монографию автора, учебные пособия и методические указания, используемые в учебном процессе подготовки инженеров по специальностям «Мехатроника» и «Автоматизация технологических процессов».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных, всероссийских, региональных научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах с 1985 по 2005 г.г в различных городах России и СНГ, среди которых: «Физическая оптимизация, управление и контроль процессов обработки резанием» (Уфа, 1991); «Новые эффективные конструкции инструмента и оснастки для механической обработки деталей (С.-Петербург, 1992); «Теплофизика технологических процессов (Рыбинск, 1992); «Теплофизические проблемы производства летательных аппаратов и двигателей» (Казань, 1993); «Термодинамика технологических систем (Краматорск, 1993); «Технология-94» (С.-Петербург, 1994); «Новые технологии в машиностроении» (Харьков -Рыбачье, 1994); «Технология механообработки: физика процессов и оптимальное управление» (Уфа, 1994); «Теплофизика технологических процессов» (Рыбинск, 1996); «Технология - 96» (Новгород, 1996); «Проблемы трибологии производства» (Иваново, 1997); «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 1998); «Новые технологии управления движением технологических объектов» (Новочеркасск, 1999, 2000); «Повышение эффективности механообработки на основе аналитического и экспериментального моделирования процессов» (Рыбинск, 1999); «Механика и прочность авиационных конструкций» (Уфа, 2001); «Технология -2001» (Орел, 2001); «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков» (Рыбинск, 2002); «Интеллектуальные мехатронные станочные системы» (Уфа, 2003); «Динамика технологических систем» (Саратов, 2004); «Оптимизация и управление процессом резания, мехатронные станочные системы» (Уфа, 2005).

Материалы работы экспонировались на ВДНХ СССР в 1977 г. и 1988 г., удостоены бронзовой и серебряной медалей ВДНХ СССР; рассматривались Межотраслевым экспертным советом по содействию внедрению научно-технических достижений (МЭС) в 1990 г. Работа обсуждалась на выездных заседаниях Головного совета «Машиностроение» в 1994 и 2000 гг.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 67научных работах. По теме диссертации получено восемь авторских свидетельств и два патента на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, списка литературы и приложения, содержит 326 страниц машинописного текста, 217 наименований использованной литературы, 11 таблиц.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Проведенный комплекс исследований позволил выполнить теоретическое обобщение и описание физического и феноменологического механизма взаимодействия и синхронизма механических и тепловых явлений в зоне контакта инструмента с деталью, определяющего условия минимизации интенсивности износа инструмента, и решить важную научную проблему разработки термодинамических принципов обеспечения управляемости и интенсификации нестационарной лезвийной обработки деталей из труднообрабатываемых материалов для повышения эффективности эксплуатации мехатронных станочных систем.

1. Впервые на основе структурно-энергетического анализа лезвийной обработки с использованием положений термодинамики неравновесных процессов получено аналитическое описание предельного состояния материалов детали и инструмента в основных зонах упругопластической деформации при резании в виде уравнения баланса диссипативных функций затраченной (механической) энергии, тепловыделения при пластической деформации и изнашивании инструмента, позволяющее проводить качественную и количественную оценку удельной механической и тепловой нагруженности приконтактных слоев инструмента для определения условий его высокой работоспособности.

2. Разработан комплекс методического обеспечения и лабораторных установок, использующих общую физическую модель локального контакта единичной микронеровности инструментального материала с обрабатываемым, с имитацией температурно-силового режима фрикционного взаимодействия при резании металлов для определения прочностных, деформационных, диссипативных и термоэлектрических характеристик контактного взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов.

3. Предложены модели для расчета параметров напряженно-деформированного состояния зоны стружкообразования с учетом запаздывания в изменении интенсивности пластических деформаций в зоне сдвига по отношению к скорости изменения элементов режима резания. Показана возможность снижения напряжений сдвига, удельных нагрузок на контактных поверхностях инструмента, возмущений упругой системы станка вследствие увеличения угла наклона условной плоскости сдвига, снижения среднего коэффициента трения и размеров зоны пластической деформации на передней поверхности инструмента при определенных значениях ускорения резания и скорости изменения подачи.

4. Впервые установлено совпадение в аномальном поведении • температурных зависимостей физико-механических характеристик контактного взаимодействия: резком снижении сдвиговой прочности фрикционной (адгезионной) связи, минимуме пластичности контакта, возрастании коэффициента диссипации энергии, инверсии градуировочных зависимостей термопары «резец-деталь» в зоне высокотемпературной хрупкости обрабатываемого материала. Установлено, что этим же температурам соответствуют оптимальные по критерию минимальной интенсивности износа инструмента температуры резания, что обусловлено прежде всего явлениями изотермического теплового эффекта при фазовых превращениях I и II рода в обрабатываемом материале, идущими с ф поглощением механической энергии, подводимой к зоне контакта, снижением доли энергии, расходуемой, повреждаемость и износ инструмента. Инструментальный материал влияет на соотношение кинетических характеристик деформации и структурно-фазовых превращений в обрабатываемом материале, способствуя изменению температуры экстремума контактных параметров и оптимальной температуры резания.

5. Впервые установлено, что ускорение резания и скорость изменения подачи оказывают непосредственное влияние на силу резания и среднюю температуру резания, снижая интенсивность их нарастания при положительных и замедляя снижение при отрицательных значениях ау и а$ по сравнению со стационарными режимами обработки, что связано как с инерционностью тепловых процессов по отношению к скорости изменения интенсивности источников тепла, так и с изменением параметров НДС.

Внутренняя нестационарность процесса, связанная с необратимым ростом износа инструмента, может быть полностью или частично скомпенсирована за счет выбора оптимальной величины скорости изменения элементов режима резания, при этом изменение температуры наиболее эффективно компенсируется ускорением резания, а силы резания - скоростью изменения подачи инструмента.

6. Впервые на основе количественного анализа скоростей производства энтропии и ее отвода из зоны контакта термопластически дефомированными слоями обрабатываемого материала установлено существование оптимальных температурно-ресурсных зон эксплуатации режущих инструментов, в пределах которых наблюдается максимально полная трансформация и диссипация механической энергии из зоны контакта инструмента с деталью, чем обеспечивается снижение термодинамической нагруженности приконтактных слоев инструмента. Доказано, что обеспечение и управление таким состоянием изнашиваемых поверхностей инструмента достигается за счет выбора диапазона элементов режима резания и определенной оптимальной скорости их изменения в процессе резания.

Установлено, что нижняя температурная граница (оптимальная температура резания) инвариантна к изменению режима обработки и является физической константой для сочетания материалов детали и резца, а величина верхней температурной границы, связанная с потерей формоустойчивости режущей кромки инструмента, снижается при возрастании общего уровня механической нагруженности зоны резания.

7. Разработаны ускоренные расчетно-экспериментальные методы определения обрабатываемости (патент РФ № 2247963), оптимальных режимов нестационарного резания (патент РФ №2207935), подачи инструмента и режущей способности инструментального материала (а.с. №№1386373, 324389, 1419296, 293378), позволяющие существенно сократить сроки технологической подготовки производства при освоении новых конструкционных материалов и повысить точность рекомендаций по оптимальным режимам обработки и уставкам для САУ процесса резания.

8. Предложены и реализованы новые методы повышения эффективности мехатронных станочных систем за счет увеличения износостойкости инструмента, производительности и экономичности обработки, заключающиеся в задании начального уровня режима резания в пределах установленного оптимального температурного диапазона и алгоритмов изменения режима обработки из условия максимально полного равновесия (синхронизма) механических и тепловых процессов в зоне резания. Разработаны технологические рекомендации по рациональным режимам нестационарного резания для основных групп труднообрабатываемых материалов и отдельно - для жаропрочных сплавов на никелевой основе с учетом известных варьируемых условий обработки. Практическая реализация результатов исследований осуществлена как путем внедрения на машиностроительных предприятиях конкретных практических рекомендаций по оптимальным режимам обработки и инструменту, так и в виде информационного обеспечения автоматизированных модулей механообработки в международной сети инжиниринговых центров по комплексной автоматизации и созданию интегрированных проектно-производственных систем.

1. Аваков А. А. Физические основы теории стойкости режущих инструментов. М.:Машгиз, 1960.307 с.

2. Авиационные материалы. Справочник в 5 т. / Под редакцией А.Т.Туманова. М.: ОНТИ, 1975.-Т.1. Конструкционные стали /Под ред. А. Т. Туманова, 1975. 358 с.

3. Авиационные материалы. Справочник в 5 т. /Под редакцией

4. A.Т.Туманова. М.: ОНТИ, 1975. -Т.2. Коррозионностойкие и жаростойкие стали и сплавы /Под ред. А. Т. Туманова, 1975. 372 с.

5. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.:Наука, 1976. 280 с.

6. Альбрехт П. Новые положения в теории резания металлов / Конструирование и технология машиностроения // Труды америк. общ-ва инженеров-механиков. М.: Изд-во иностр. лит-ры, Т. 38, серия В, № 3, 1961. С. 90-122.

7. Армарего И. Дж. А., Браун P. X. Обработка металлов резанием./Пер. с англ.

8. B. А. Пастунова. М.:Машиностроение, 1977. 325 с.

9. A.c. 347629 СССР. М. Кл. Ol 3166. Способ определения режущей способности инструмента / Ю. М. Соломенцев. Опубл. в Б.И., 1972, №24.

10. A.c. 673376 СССР. М. Кл.2 В 23В 1/00. Способ определения оптимальной скорости резания / А. Д. Макаров, Д. И. Рюков, В. М. Коленченко, А. П. Доброрез, В. М. Кривошей. Опубл. в Б. И. 1979. № 26.

11. A.c. 673377 СССР. М. Кл.2 В 23В 1/00. Способ определения оптимальной скорости резания /А. Д. Макаров, Д. И. Рюков, В. М. Коленченко, А. П. Доброрез, В. М. Кривошей. Опубл. в Б. И. 1979. № 26.

12. A.c. № 1211640 СССР. Способ определения оптимальной скорости резания при обработке материала / Канзафаров P.C., Янбухтин P.M., Постнов В.В. (СССР). № 1211640. Опубл. 29.01.85.

13. A.c. №1386373 СССР. Способ определения допустимой подачи при токарной обработке / Постнов В.В., Садыгов Т.И., Кривошей В.М., Гасанов К.А., Бакаров Б.С. (СССР). №1386373. Опубл. 07.04.88, Бюл. № 13.

14. A.c. №1430181 СССР. Способ определения оптимальной скорости резания при сверлении / Дмитриев A.C., Постнов В.В., Никин А.Д., Антонова Л.В. (СССР) № 1430181. Опубл. 15.10.88, Бюл. №38.

15. Барботько А. И., Зайцев А. Г. Теория резания металлов. Воронеж. Издательство Воронежского университета, 1990. 176 с.

16. Батыев А.Ш., Постнов В.В.Исследование влияния условий пластического деформирования сплава ВТ9 на его контактное взаимодействие с твердым сплавом ВК8 // Трение и износ. Минск: Наука и техника, 1982. Том 3, № 6. С. 1332-1334.

17. Бахвалов Н. С. Численные методы. М.:Наука. 1973. Т.1. 631 с.

18. Башков В. М., Кацев П. Г. Испытания режущего инструмента на стойкость. М.Машиностроение, 1975. 136 с.

19. Бердников JI.H Оптимальная температура нагрева инструмента при прерывистом резании // Оптимальная температура основа современной теории и практики механообработки: Тез. докл. Зональной научн.-техн. конф. Уфа, 1989. С. 14-15.

20. Бобров В. Ф., Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975. 344 с.

21. Бхаттачария, Хэм. Анализ износа инструмента. 4.1. Теоритические модели износа задней поверхности инструмента /Конструирование и технология машиностроения. Труды Америк, общества инженеров-механиков. Т.92. 1980.№ 4 С. 162-168.

22. Белоусов А.И. Определение оптимальной температуры резания труднообрабатываемых сплавов на основе законов термодинамики // Проблемы обрабатываемости жаропрочных сплавов резанием: Тез. докл. Всесоюзн. конф. Уфа, 1975. С. 21-27.

23. Васин С.А., Верещака A.C., Кушнер B.C. Резание металлов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании. М.: Издво МГТУ им. Баумана, 2001. 448 с.

24. Высоцкий Ю.И. Влияние вибраций на прочность и надежность твердосплавных резцов // Надежность режущего инструмента. Киев -Донецк, 1975. Вып. 2. С. 114-123.

25. Вульф А. М. Резание металлов. JL: Машиностроение, 1973. 496 с.

26. Гибкие производственные комплексы / Под ред. П. Н. Белянина и В. А. Лещенко. М.:Машиностроение, 1984. 384 с.

27. Гмошинский В. Г. Инженерное прогнозирование. М.:Энергоиздат, 1982. 205 с.

28. Гольдшмидт М.Г. Деформация и напряжения при резании металлов. Томск: STT, 2001. 180 с.

29. Голего H.JL, Алябьев А.Я., Шевеля В.В. Фреттинг-коррозия металлов. Киев: Техника, 1974. 272 с.

30. Гутман Э.М. Механохимия металлов и защита от коррозии. М.: Металлургия, 1974. 232 с.

31. Даниелян А. М. Теплота и износ инструмента в процессе резания металлов. М.:Машгиз, 1954. 276 с.

32. Даниелян А. М., Бобрик П. И. и др. Обработка резанием жаропрочных сталей, сплавов и тугоплавких металлов. М.Машиностроение, 1965. 308 с.

33. Денисов В. И. Математическое обеспечение системы ЭВМ -экспериментатор (регрессионный и дисперсионный анализы). М.:Наука, 1977. 251 с.

34. Еремин А. Н. Физическая сущность явлений при резании сталей. М.:Машгиз, 1951. 226 с.

35. Журков С.Н., Нарзуллаев Б.Н. Временная зависимость твердых тел. Журн. техн. физики, 1953, Т. 23, вып. 10. С. 1677-1684.

36. Закураев В.В., Шивырев A.A. Многокритериальная оптимизация и управление механической обработкой на токарных станках с ЧПУ // Технология машиностроения, 2001, № 4. С. 44-49.

37. Захарченко И. П. Эффективность обработки инструмента сверхтвердыми материалами. М.:Машиностроение, 1982. 224 с.

38. Зорев Н. Н. Вопросы механики процесса резания. М.: Машгиз, 1956. 368 с.

39. Зорев Н. Н. Исследование элементов механики процесса резания. М.:Машгиз, 1952. 364 с.

40. Зорев Н. Н. и др. О процессе износа твердосплавного инструмента. -вестник машиностроения, 1971. № 9. С. 70-71.

41. Зориктуев В. Ц. Комплексное исследование торцевого точения дисков из жаропрочных сплавов. Дисс.канд.техн.наук. Уфа: УАИ, 1973. 149 с.

42. Зориктуев В. Ц. Идентификация и автоматическое управление технологическими процессами в станочных системах. Уфа:УАИ, 1992. 114 с.

43. Зориктуев В. Ц., Исаев Ш. Г. Взаимосвязь электрической проводимости контакта «резец-деталь» с параметрами режима резания. / Оптимизация процессов резания жаро- и особопрочных материалов. Межвуз. тем. сб. Уфа: УАИ, 1983. С. 144-149.

44. Зориктуев В. Ц., Постнов В. В., Шустер JL Ш., Дерябина С. А. Режимы лезвийной обработки деталей ГТД. Учебное пособие. Уфа: УАИ, 1991. 81 с.

45. Зориктуев В.Ц., Постнов В.В. Физические и математические модели процессов контактного взаимодействия для управляемых станочных систем // Новые технологии в машиностроении: Международн. конф. Харьков, 1994. С. 25-28.

46. Зориктуев В.Ц., Латыпов P.P., Постнов В.В., Никин А.Д. Диагностика состояния режущего инструмента в автоматизированном производстве: Учеб. пособие. Уфа: УГАТУ, 1994. 58 с.

47. Зориктуев В.Ц., Постнов В.В., Мигранов М.Ш. Круглов О.А. Управление интенсивностью износа режущего инструмента при нестационарном точении // Вестник Верхневолжского отд. Акад. техн. наук РФ. Рыбинск: РГАТА, 1995. С. 51-52.

48. Зориктуев В.Ц., Постнов В.В., Шарапов Е.А. Термоактивационные модели в системах управления процессом нестационарного резания // Интеллектуальные мехатронные станочные системы: Сб. науч. тр. Уфа: УГАТУ, РИО БашГУ, 2003. С. 54-60.49