автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Моделирование генерации термо-ЭДС в нестационарном тепловом поле в условиях трения и упругопластической деформации

На правах рукописи

Тимофеев Василий Юрьевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ ТЕРМО-ЭДС В НЕСТАЦИОНАРНОМ ТЕПЛОВОМ ПОЛЕ В УСЛОВИЯХ ТРЕНИЯ И УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Специальность 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на сонскаиие учёной степени кандидата технических наук

Воронеж-2011

4852522

Работа выполнена на кафедре физики ГОУ ВПО «Елецкий государственный университет им. И. А. Бунина».

кандидат физико-математических наук, доцент Зайцев Андреи Анатольевич

профессор, доктор физико-математических паук Безридин Николай Николаевич

(ГОУ ВПО Воронежская государственная технологическая академия)

доцент, кандидат физико-математических наук Марков Олег Иванович (ГОУ ВПО Орловский государственный университет)

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет»

Защита состоится « 23 » июня 2011 г. в 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д.212.035.02 при ГОУ ВПО «Воронежская государственная технологическая академия» по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять но адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, ГОУ ВПО ВГТА, ученому секретарю диссертационного совет Д.212.035.02

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «ВГТА».

Автореферат размещен на официальном сайте ВГТА www.vgta.vm.ru « 23 » мая 2011 г.

Автореферат разослан « 23 » мая 2011 г. Учёный секретарь диссертационного

совета Д.212.035.02 к.т.н, доц. Хаустов И.А.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие компьютерной техники и прикладной математики обеспечило существенный прогресс в исследовании явлений и процессов в природе и технике, выполнении численных экспериментов, что обеспечило повышение эффективности научно-исследовательских, конструкторских и технологических разработок, повышение уровня управления производственными процессами.

Многие физические процессы, в частности связанные с обработкой металлов, сопровождаются выделением тепла и контактированием разнородных металлов, что приводит к образованию естественной термопары. Как правило, тепловое поле в таких системах является нестационарным, а закон его распределения весьма сложен. Кроме того, в зоне контакта термопара может подвергаться деформации и разрушению, а на отдельных её участках могут идти процессы диффузии и накопления микродефектов.

Сигнал термо-ЭДС крайне тесно сопряжён с процессами, происходящими в зоне резания и может быть использован для оценки состояния технических систем. Таким образом, проблема моделирования генерации ТЭДС естественной термопарой является актуальной.

Диссертационное исследование выполнялось в рамках научно-исследовательской работы «Исследование перекрёстного явления переноса в вязких электропроводящих жидкостях» (г. р. 01201152488).

Цель работы: построение математической модели процесса генерации сигнала термо-ЭДС естественной термопарой режущий инструмент-деталь и использование её для контроля степени износа инструмента в процессе резания.

Задачи исследования:

• провести анализ существующих моделей генерации ТЭДС и резания металлов;

• построить математическую модель естественной термопары инструмент-деталь;

• разработать алгоритм и комплекс программ, позволяющий рассчитать ТЭДС в процессе резания;

• произвести вычислительный эксперимент и получить сигнал ТЭДС методом математического моделирования;

• основываясь на данных модели, разработать техническое средство и метод измерения ТЭДС в зоне резания;

• реализовать на практике метод диагностики на основе сигнала ТЭДС.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• создана математическая модель генерации ТЭДС естественной термопарой инструмент-деталь, учитывающая: изменение распределения теплового поля в теле инструмента при упругопластической деформации, разрушении и износе; нелинейную зависимость модуля Юнга, коэффициента Пуассона, теплоёмкости, теплопроводности и коэффициента теплового расширения материала обрабатываемой детали от температуры; изменение геометрии режущего инструмента вследствие износа; изменение характера микроконтактирования при износе.

• установлена зависимость спектральных характеристик сигнала ТЭДС от степени износа инструмента.

доказана возможность диагностики состояния режущего инструмента по спектральным характеристикам сигнала ТЭДС.

Научную и практическую ценность представляет: разработанная модель генерации ТЭДС естественной термопарой инструмент-деталь, учитывающая изменение геометрии инструмента, нелинейность физических характеристик обрабатываемого металла при изменении температуры и накопление физико-механических неоднородностей вдоль режущей кромки при износе.

прототип средства неразрушающего контроля износа свёрл в процессе резания.

Методы и средства исследования. В научной работе были использованы следующие численные методы исследования: методы математического моделирования; методы конечно-элементного анализа; статистические методы обработки экспериментальных данных; методы цифровой фильтрации сигналов.

Экспериментальные методы исследования:

• серия экспериментов с использованием прототипа разработанной установки с использованием современных средств измерений;

• обработка экспериментальных данных на ЭВМ с использованием программного пакета, разработанного автором.

Апробация работы. Материалы диссертационного исследования доложены и обсуждены на конференциях: международная научно-практическая конференция «Теория и практика производства листового проката». — Липецк: ЛГТУ, 2008; пятая всероссийская конференция «Необратимые процессы в науке и технике» — Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009; региональная научная конференция "Актуальные проблемы естественных наук и их преподавания" (Липецк, ЛГПУ, 2007); региональная научная конференция "Актуальные проблемы естественных наук и их преподавания" (Липецк, ЛГПУ, 2008).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Созданная математическая модель учитывает особенности механических и тепловых процессов при резании металлов и отражает реальные физические процессы генерации ТЭДС и её изменение в процессе износа режущего инструмента.

2. Характер изменения спектра ТЭДС является информативным диагностическим признаком.

3. Установленная в результате моделирования и подтверждённая экспериментально закономерность изменения ТЭДС в зависимости от режимов резания и степени износа инструмента может быть использована для управления процессами резания.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка литературы, содержащего 103 наименования и двух приложений. Материал диссертации изложен на 108 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, раскрыта её научная новизна и практическая ценность, а так же определены положения, выносимые на защиту. В первой главе обсуждается роль математического моделирования в совершенствовании исследования технологических процессов и управления ими.

Существует обширный класс физических процессов, эквивалентная схема которых может быть представлена в виде естественной термопары. В машиностроении это процессы точения, сверления, фрезерования и т. д. Получение достоверной информации о состоянии зоны, в которой происходит взаимодействие физических объектов — важная задача, успешное решение которой открывает новые перспективы в управлении технологическими процессами, что особенно важно в случае прецизионных операций.

Система режущий инструмент-деталь может рассматриваться как естественная термопара: материалы обрабатываемой детали и режущего инструмента имеют разный химический состав и структуру и, как следствие, разные уровни Ферми. Тепловой поток, вызванный процессами упругопла-стической деформации и трения, создаёт градиент температур в данной системе, что приводит к возникновению термо-ЭДС, законы генерации которой сложны и зависят от многих факторов.

Моделирование процесса генерации ТЭДС является комплексной задачей, поэтому наиболее оптимальным представляется разбиение задачи на несколько частей:

1. Моделирование процессов упругопластической деформации и теплопередачи в зоне резания.

2. Расчёт генерации ТЭДС с учётом накопления неоднородностей и дефектов в инструменте, а так же контактного сопротивления и микроконтактирования системы инструмент-деталь.

Таким образом, основной задачей исследования является построение математической модели генерации ТЭДС в зоне резания и создание устройства, позволяющего измерять и анализировать сигнал ТЭДС.

Во второй главе описывается построение эквивалентной электрической схемы процесса резания.

Естественная термопара может рассматриваться как единый объект или как совокупность элементарных ячеек - контактных зон, каждая из которых также может представляться обобщённо или в виде совокупности от-

ментарные термотоки; Еь.Ек - ТЭДС элементарных термопар

Режущий инструмент и заготовка обычно изготавливаются из разнородных материалов, что позволяет представить каждый элементарный источник ТЭДС Е1..Ек в виде естественной термопары, (рис. 2) характеризуе-

дельных пятен контакта (рис. 1).

Рис. 1. Эквивалентная электрическая схема естественной термопары сверло-деталь: Яь-И-к -сопротивления микроконтактирования отдельных элементарных ячеек; Я0 - сопротивление внешней нагрузки; 11..1к-эле-

мой местной неоднородностью.

А

В

А.

'2

Рис. 2. Термоэлектрод с неоднородным участком В

М Т

Т

N

На концах неоднородного по термоэлектрическим свойствам матери-определяется выражением (1):

2

ала появляется термоЭДС, которая

„ ДО,

О)

'=1 ПО,

где: i - порядковый номер участка; tt - температура в начале элементарного участка; /,■ - температура в конце элементарного участка; S(t, Т)л, Л; - термоэлектрическая чувствительность термопары из элементарных электродов Д/ы и д/., равная

S(tJ)4^=S(t,T\,rS(t,T)4i

Таким образом, основными факторами, влияющими на ТЭДС в зоне резания, являются:

1. Термоэлектрическая чувствительность (2)

л-klnt)

д In а

де

(2)

Зе

где: Т - абсолютная температура; кь- постоянная Больцмана; >] - энергия Ферми; е - заряд электрона; а - электропроводность, определяемая как

СТ~3(2лЛ)3'

где: 8р - площадь поверхности Ферми; I - длина свободного пробега носителей заряда; /г — постоянная Планка.

2. Распределение теплового поля в теле инструмента и детали, которое определяется:

2.1 Дифференциальным уравнением нестационарной теплопроводности с внутренними источниками тепла (3):

ВТ 8 ( дт\ д(,дт) д(,8ТЛ , . т

где: с - удельная теплоёмкость, Дж/(кг-К); р - плотность; X - коэффициент теплопроводности Вт/(м-К); - тепло, генерируемое в элементар-

ном объёме.

2.2 Теплом, вызванным трением (4):

qv (х, у, I, I) = Г]{х, у, г), а(х, у, г) ^ > (4)

А/

где: о - напряжение в зоне трения, зависящее от контактного давления, коэффициента трения и температуры контактирующих поверхностей; Ау — элементарный объём; Д1 - инкремент времени; г| - коэффициент, определяющий долю механической энергии, преобразуемую в тепло.

3. Напряжение пластической деформации.

Формула Джонсона-Кука, при условии использования коэффициентов, полученных экспериментальным путём, достаточно точно отражает поведение металла при высокой скорости деформации и больших градиентах температур (5):

Г, , г л] Г (т ~т У

Л + Д - 1 + С-1п — 1- — —

и»1 и, -То)

где: А, В, С, п и т - коэффициенты; ¿' - эквивалентная пластическая деформация; е - скорость деформации; £п - начальная скорость деформации; Т - температура; 1 „п - температура плавления; Ти - начальная температура.

Для расчёта температуры естественной термопары сверло-деталь была создана конечно-элементная модель данной системы. После проведения вычислительного эксперимента было получено следующее распределение температуры по передней поверхности сверла (рис. 3).

Точки с максимумом температур расположены на некотором расстоянии от режущей кромки инструмента по направлению схода стружки. Это вполне согласуется с теоретическими выводами, полученными из анализа теплофизики процесса резания и с экспериментальными данными.

Рис. 3. Распределение температурного поля по передней поверхности сверла

Для расчёта ТЭДС был создан программный комплекс, главное окно которого показано на рис. 4.

В качестве исходных данных программа получает распределение теплового поля по контактирующим поверхностям, режимы резания и величину износа инструмента. Далее рассчитывается электросопротивление отдельных участков, сопротивление микроконтактирования и термоэлектрическая чувствительность.

Ч»пр»Ц.< ^ЛоЛ-иТЗД^ мхф** г ГЗСй

Рис. 4. Главное окно программного комплекса для расчёта ТЭДС

Для определения конфигурации теплового поля было проведено моделирование процесса сверления сверлом диаметром 5 мм, материал - сплав Р6М5, скорость резания 200 мин"' (10053 мм/мин), подача 0,1 мм/об. Материал заготовки - ст40. Результат показан на рис. 5.

Далее моделировался процесс резания с использованием моделей свёрл с разными степенями износа и без изменения режимов резания и свойств материалов. Как видно из графика на рис. 6, при износе инструмента наблюдается возрастание температуры на передней и задней режущих поверхностях. Это вызвано увеличением радиуса закругления режущей кромки, а так же трением по задней режущей поверхности.

Рис. 5. Распределение температурного поля по передней режущей поверхности нового сверла

Рис. 6. - Распределение температурного поля по передней режущей поверхности изношенного сверла

Расчётные зависимости амплитуды и спектра ТЭДС приведены на рис. 7 и 8.

со

Ь (тт>

Рис. 7. Расчётная зависимость Рис- 8- Расчётная зависи-

ТЭДС от износа по задней по- мость граничной частоты

верхности спектра от износа по задней

поверхности

В третьей главе описывается метод измерения ТЭДС и процесс цифровой фильтрации от помех.

"119

Рис. 9. Экспериментальная установка для измерения ТЭДС в процессе обработки: 1 - токосъёмник; 2 - прихваты; 3 - гайки; 4 - болты для станочных пазов; 5 - болт для фиксации упора; 6 -гайка болта фиксации упора; 7 - клемма для подсоединения проводов регистрирующего устройства; 8 - изолирующие прокладки; 9 - призмы; 10 - стол станка

Для исследования характера ТЭДС была сконструирована установка, позволяющая снимать сигнал из зоны резания непосредственно в процессе сверления (рис. 9).

Износ инструмента определялся по задней поверхности, с помощью микроскопа. На рис. 10, а представлена фотография задней поверхности нового сверла, а на рис. 10, б - изношенного, с износом по задней поверхности }у=0,3мм.

а) б)

а) - новое сверло;

б) - изношенное сверло.

Рис. 10. Фотографии задней поверхности нового и изношенного инструмента

Фотографии сделаны автором с помощью микроскопа МБС-10 и фотонасадки.

■ .......................•• • V • —г -4.......

......... !

с к: «к «я I«» 1мн<м «я* «м» г«м гю г«и 1«» гт гт >ш >т >т »а»»«

£Гц

Рис. 11. Спектр сигнала нового инструмента

.1«

б ?М 4М AM ft» f ОСО I 210 1463 J 406 1 fCC I CM 2 ¿6© ЛЙВ 2 2 SOS 3 SSfi J ¿8$ 2 2 ©2C 3 S£S 4 COi

f. Гц

Рис. 12. Спектр сигнала изношенного инструмента

На рис. 11 и 12 соответственно приведены спектры сигналов нового и изношенного инструментов, при этом видно, что в процессе износа инструмента изменяется:

1. Амплитуда сигнала ТЭДС;

2. Спектр сигнала. Частота перехода спектра через ноль сдвигается в высокочастотную область;

I 3. Общая насыщенность спектра гармониками.

С помощью эксперимента было установлено, что при износе инструмента меняется не только постоянная составляющая термо-ЭДС, но и её спектральные характеристики. Это подтверждает сделанное ранее предположение о нестабильности микродефектов, зон диффузии и дислокаций в зоне резания. Данная зависимость позволяет производить диагностику состояния режущего инструмента с большей точностью, чем метод измерения интегрального значения ТЭДС.

К числу достоинств предложенной методики так же относится меньшая подверженность зависимости изменения абсолютного значения ТЭДС при замене инструмента.

На рис. 13 приведена зависимость величины ТЭДС от степени износа при скорости резания 250 об/мин на различных подачах. На начальном этапе износа ТЭДС возрастает, что обусловлено увеличением нагрева при износе инструмента.

При дальнейшем износе ТЭДС начинает уменьшаться. Данный процесс связан с накоплением дислокаций на режущей кромке, ускорением процесса наростообразования и диффузии, что приводит к увеличению сопротивления микроконтактирования и уменьшению термоэлектрической чув ствительности.

Так же одним из диагностических параметров является частота перехода логарифмического спектра через ноль (рис. 14).

h (mm)

Рис. 13 Экспериментальная зависимость величины ТЭДС от степени износа при скорости резания 250 об/мин на различных подачах

h (mm)

Рис. 14 Экспериментальная зависимость частоты среза спектра ТЭДС от степени износа при скорости резания 250 об/мин на различных подачах

По мере износа частота среза спектра ТЭДС увеличивается, что связано с увеличением концентрации микродефектов. При дальнейшем износе увеличивается зона контактирования и наволакивание металла на режущие поверхности, что приводит к преобладанию в спектре низкочастотных составляющих.

Таким образом, можно сделать вывод, что спектр сигнала ТЭДС является информативным диагностическим признаком, а предложенная методика диагностики является надёжной и представляет практическую пользу.

В заключении сформулированы основные выводы диссертационной

работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Создана математическая модель генерации ТЭДС, учитывающая:

- изменения распределения теплового поля в теле инструмента при упругопластической деформации, разрушении и износе;

- нелинейную зависимость модуля Юнга, коэффициента Пуассона, теплоёмкости, теплопроводности и коэффициента теплового расширения материала обрабатываемой детали от температуры.

- изменения геометрии детали и режущего инструмента вследствие износа;

2. Разработан программный комплекс, позволяющий рассчитать ТЭДС в зоне резания с учетом увеличения электросопротивления вследствие накопления дефектов;

3. Доказано, что при износе режущего инструмента меняется не только амплитуда, но и спектральные характеристики сигнала.

4. Установлено, что спектральные характеристики сигнала ТЭДС являются более стабильными, чем амплитудные, что позволяет использовать их в качестве диагностического признака.

5. Разработан программно-аппаратный комплекс, позволяющий осуществлять диагностику состояния режущего инструмента непосредственно в процессе резания.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В РЕЦЕНЗИРУЕМЫХ ИЗДАНИЯХ, ВХОДЯЩИХ В ПЕРЕЧЕНЬ ВАК

1. Тимофеев В. 10. Модель устройства диагностики металлорежущего инструмента по сигналу термо-ЭДС. [Текст] / Тимофеев В. Ю., Зайцев А. А., Кругов А. В. // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2009. — № 4. — С. 42 - 45.

2. Тимофеев В. 10. Моделирование тепловых полей в сложных динамических системах средствами САПР. [Текст]/ Тимофеев В. 10., Зайцев А. А. // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. — 2009. — № 2 — С. 115 - 122

статьи и материалы конференции

3. Исследование изменения термо-ЭДС резания в процессе износа инструмента. / Тимофеев В. Ю., Зайцев А. А. // Необратимые процессы в природе и технике: труды пятой всероссийской конференции 26-28 января 2009 г. В 3-х частях. Часть 2. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009. — Ч. 2 — С. 220 -223.

4. Неразрушающая диагностика металлорежущего инструмента методом измерения сигнала термо-ЭДС. / Тимофеев В. Ю., Зайцев А. А. // Теория и практика производства листового проката: материалы международной научно-технической конференции // Липецк: ЛГТУ, 2008. — С. 231 - 237.

5. Тимофеев В. 10. Программа логического анализатора сигналов на входах СОМ-порта. // Радио. — 2007. — № 8. — С. 27 - 28. — ISSN 0033-765Х

6. Свидетельство о регистрации программного комплекса EMF Analyzer // Инв. номер в ФГНУ ЦИТиС 50201150145

Лицензия на издательскую деятельность ИД №06146. Дата выдачи 26.10.01. Формат 60 х 84 /16. Гарнитура Times. Печать трафаретная. Усл.-печ.л. 1,0 Уч.-изд.л. 1,2 Тираж 100 экз. Заказ 158

Отпечатано с готового оригинал-макета на участке оперативной полиграфии Елецкого государственного университета им. И.А.Бунина

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Елецкий государственный университет им. И.А. Бунина» 399770, г. Елец, ул. Коммунаров, 28

ВВЕДЕНИЕ.;.

1 Обзор существующих моделей генерации ТЭДС в системе «режущий инструмент-деталь».

1.1 Моделирование процесса упругопластической деформации в зоне резания.

1.2 Моделирование распределения теплового поля.

1.2.1 Моделирование распределения теплового поля с помощью аналоговых вычислительных машин.

1.2.2 Моделирование распределения теплового поля на электрических сетках.

1.2.3 Моделирование распределения теплового поля с помощью, языков программирования высокого уровня.

1.2.4 Моделирование распределения теплового поля с помощью математических САПР.

1.2.5 Моделирование распределения теплового поля с помощью специализированных САПР.30'

1.3 Выводы.

2 Разработка математической модели естественной термопары сверло-деталь.

2.1 Эквивалентная электрическая схема замещения естественной термопары.

2.2 Построение модели распределения тепла в зоне резания.

2.3Анализ процессов износа сверла.

2.4 Разработка программного комплекса для расчёта ТЭДС.

2.5 Выводы.:л.

3 Экспериментальное исследование генерации ТЭДС в процессе износа сверла

3.1 Разработка программно-аппаратного комплекса для измерения ТЭДС.

3.2Методика проведения эксперимента.

3.3 Исследование взаимосвязи ТЭДС и степени износа режущего инструмента.

3.4 Выводы.

Развитие компьютерной техники и прикладной математики обеспечило существенный прогресс в исследовании явлений и процессов в природе и технике, выполнении численных экспериментов, что обеспечило повышение эффективности научно-исследовательских, конструкторских и технологических разработок, повышение уровня управления производственными процессами.

Многие физические процессы, в частности связанные с обработкой металлов, могут быть представлены в виде эквивалентной схемы, включающей в себя естественную термопару, образующуюся при контакте объектов. Как правило, тепловое поле в таких системах является нестационарным, а закон его распределения весьма сложен. Кроме того, в зоне контакта термопара может подвергаться деформации и разрушению, а на отдельных её участках могут идти процессы диффузии и накопления микродефектов.

Сигнал термо-ЭДС крайне тесно сопряжён с процессами, происходящими в зоне резания и может быть использован для оценки состояния технических систем. Таким образом, проблема моделирования генерацииТЭДС естественной термопарой является актуальной.

В условиях автоматизированного малолюдного производства надёжное функционирование станков с ЧПУ возможно только при применении систем диагностирования, которые осуществляют контроль работы основных элементов оборудования. Одним из элементов, ограничивающих надёжность работы станка с ЧПУ, является режущий- инструмент^]. Его неконтролируемый предельный износ или поломка могут привести к браку изделия и разрушению узлов станка. В связи с этим, использование системы диагностики инструмента является необходимым условием надёжной работы автоматизированного металлорежущего оборудования.

При оснащении станков с ЧПУ системой диагностирования инструмента необходимо учитывать тип инструмента, конкретный вид обработки и обрабатываемый и инструментальный материалы. Спиральные свёрла, изготовленные из быстрорежущей стали, являются широко применяемым режущим инструментом, а образование с помощью него отверстий - распространённой операцией в механообработке [2-19].

На данный момент предложено множество способов контроля, но все они имеют те или иные недостатки. Как показывают исследования, ЭДС резания является одним из наиболее стабильных сигналов, присущих процессу металлообработки [19 - 8]. Данный сигнал можно измерять как в режиме постоянного, так и переменного тока. Метрологически первое осуществить значительно проще, но данный метод имеет ряд недостатков:

1. при измерении в режиме постоянного тока учитывается только интегральная ТЭДС, т.е. усреднённая по всей зоне резания, что не позволяет диагностировать локальные дефекты.

2. процессы образования микродефектов и локальных очагов диффузии обычно носят быстротекущий характер и не могут быть обнаружены в режиме измерения постоянной составляющей.

В то же время, измерение переменной составляющей позволяет учитывать флуктуации ТЭДС, вызванные образованием локальных дефектов.

Ранее проведённые исследования, показали, что термо-ЭДС (ТЭДС), генерируемая зоной резания, зависит от следующих параметров[19 - 19]:

1. материалов инструмента и детали

2. распределения температурного поля в теле инструмента и детали

3. наличия микродефектов и неоднородностей в детали

4. наличия макродефектов (сколы, очаги диффузии, раковины, трещины) в режущем инструменте

5. износа инструмента

Причём, от вышеперечисленных параметров зависят как статические, так и динамические, в частности частотные, параметры сигнала.

Целями диссертационной работы являются:

- построение математической модели естественной термопары инструмент-деталь;

- выявление и исследование, с помощью вычислительного эксперимента,взаимосвязи степени износа инструмента и характера сигнала термо-ЭДС, генерируемого естественной термопарой сверло-деталь;

- разработка программного комплекса и средства измерения, позволяющего измерять сигнал ТЭДС непосредственно в процессе обработки;

- реализация на практике метода диагностики на основе сигнала ТЭДС.

Этапы выполнения работы и её задачи:

- анализ причин возникновения ТЭДС в зоне резания;

- анализ существующих математических моделей резания металлов и генерации ТЭДС;

- разработка математической модели естественной термопары сверло-деталь;

- проведение вычислительного эксперимента, позволяющего выявить взаимосвязь износа инструмента изменения ТЭДС;

- разработка средства контроля, позволяющего измерить сигнал ТЭДС в процессе резания.

- проведение физического эксперимента с целью проверки соответствия математической модели реальным процессам.

Методы и средства исследования. В научной работе были использованы следующие методы исследования:

- методы математического моделирования;

- методы конечно-элементного анализа.

- статистические методы обработки экспериментальных данных.

- методы корреляционного и частотного анализа;

- методы цифровой фильтрации.

Математическая модель построена с использованием пакета конечно-элементного анализа и программы, разработанной автором.

Экспериментальные исследования проведены на разработанной автором установке с использованием современных средств измерений. Обработка экспериментальных данных выполнена на ЭВМ с использованием программного комплекса, разработанного автором.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• создана математическая модель генерации ТЭДС естественной термопарой инструмент-деталь, учитывающая: о изменение распределения теплового поля в теле инструмента при упругопластической деформации, разрушении и износе; о нелинейную зависимость модуля Юнга, коэффициента Пуассона, теплоёмкости, теплопроводности и коэффициента теплового расширения материала обрабатываемой детали от температуры. о изменение геометрии детали и режущего инструмента вследствие износа; о изменение характера микроконтактирования при износе.

• установлена зависимость динамических характеристик сигнала ТЭДС от степени износа инструмента.

• разработан метод фильтрации и анализа ТЭДС;

• предложено средство контроля степени износа инструмента по сигналу ТЭДС

Положения выносимые на защиту: 1. Взаимосвязь изменения спектра сигнала ТЭДС со степенью износа инструмента.

2. Возможность, контроля износа режущего инструмента по спектру ТЭДС с целью оценки остаточной стойкости.

Практическую ценность представляет:

• средство неразрушающего контроля износа свёрл в процессе резания.

• Программно-аппаратный комплекс для измерения и анализа ТЭДС.

Апробация работы. Материалы диссертационного исследования доложены и обсуждены на конференциях:

1. Побластная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы естественных наук и их преподавания». — Липецк: ЛГПУ, 2006.

2. Шобластная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы естественных наук и их преподавания». —Липецк:: ЛГПУ, 2007.

3. Региональная научно-практическая конференция «Теория и практика производства листового проката».— Липецк: ЛГТУ, 2008.

• 4. ЛУобластная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы естественных наук и их преподавания»; —Липецк: ЛГПУ, 2008.

• 5. Межвузовская научно-практическая конференция —Елец, ЕГУ им. И. А. Бунина. 2008.

6. Пятая всероссийская конференция «Необратимые процессы в науке и технике» — Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, из них 2 в изданиях, входящих в перечень ВАК.

2. Результаты исследования новых свёрл и свёрл с разной степенью износа и на разных режимах резания доказали, что спектр ТЭДС в большей степени зависит от износа, чем от режима резания, что указывает на серьёзное изменение физико-химических свойств естественной термопары сверло-деталь в процессе износа.

3. Показана возможность контроля ТЭДС в процессе сверления с целью оценки его остаточной стойкости. В ходе этого исследования было выяснено, что при достижении сверлом критического износа величина ТЭДС и граничная частота спектра начинают уменьшаться.

Заключение

Основная проблема, которой" посвящена диссертация - исследование взаимосвязи термо-ЭДС и износа режущего инструмента - является актуальной ввиду повсеместного внедрения станков с ЧПУ и жёстких требований, предъявляемых к качеству обрабатываемых поверхностей. Разработка математической модели процессов генерации ТЭДС, протекающих в зоне резания, позволила создать средство неразрушающей диагностики режущего инструмента.

В результате проведённого в диссертации исследования взаимосвязи термо-ЭДС и износа режущего инструмента получены следующие основные научные и практические результаты:

1. С помощью методов, математического моделирования получена конфигурация распределения теплового поля в теле режущего инструмента с учётом нелинейной зависимости физических параметров обрабатываемого материала от температуры.

2. Рассчитано изменение конфигурации теплового поля при износе режущего инструмента.

3. Разработана программа, позволяющая рассчитать ТЭДС естественной термопары инструмент-деталь с учётом сложной конфигурации теплового поля, возникновения микродефектов и параметров микроконтактирования.

4. Разработано средство измерения ТЭДС естественной термопары инструмент-деталь, включающее в себя цифровой синхронный детектор, позволяющий радикально увеличить соотношение сигнал/шум.

5. С помощью разработанного средства измерения ТЭДС естественной термопары инструмент-деталь доказано, что спектр ТЭДС является информативным диагностическим признаком.

6. Экспериментально установлена численная зависимость между степенью износа инструмента и граничной частотой спектра ТЭДС. 87

1. Палей, С. М. Контроль состояния режущего инструмента на станках с ЧПУ: Обзор / С.М. Палей, СВ. Васильев. М.: НИИмаш, 1983 - 52 с.

2. Старков, В .К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве / В.К. Старков. М.: Машиностроение, 1989.-296 с.

3. Инструмент для станков с ЧПУ, многоцелевых станков и ШС / И.Л.Фадюшин, Я.А.Музыкант, А.И.Мещеряков и др. М.: Машиностроение, 1990 —272 с.

4. Кибальченко, A.B. Контроль состояния режущего инструмента / Кибаль-ченко A.A. М.: ВНИИТЭНО, 1986.-44 с.

5. Булошников, B.C. Построение и контроль работоспособности инструментальных систем ГПС: Учебное пособие /А.И.Овчинников; под ред. Б.Д.Даниленко М.: Изд-во МГТУ, 1990.- 40 с.

6. ГПС в механической обработке: пер с франц. /Б.Фроман и др.; под ред. В.А.Лещенко.- М.: Машиностроение, 1988.- 120 с.

7. Деревянченко, А.Г. Контроль износа и диагностика состояния режущего инструмента / А.Г. Деревянченко М.: Машиностроение, 1989.- 64 с.

8. Контроль состояния режущих инструментов на металлорежущих станках

9. А.Е.Бондарь и др. М.: НИИМаш, 1971- 101 с.

10. Мельник, Е. Е. Метод и средство контроля состояния и оценки стойкости твердосплавного режущего инструмента: дисс. канд. техн. наук / Е. Е. Мельник; ОрёлГТУ. Орёл, 2003 - 212с.

11. Ю.Нестерович, Ю. И. Разработка метода и средства термоэлектрического контроля металлов и сплавов: Дис. канд. техн. наук: 05.11.13 / Ю. И. Нестерович. Орёл, 2000. - 277 с.

12. П.Тимофеев, В. Ю. Термоэлектрический метод контроля износа свёрл / В.Ю. Тимофеев // Материалы конференции «Неделя науки 2005». -Орёл: ОГТУ, 2005.

13. Тимофеев, В. Ю., Зайцев А. А. Неразрушающая диагностика свёрл методом измерения термо-ЭДС /В.Ю. Тимофеев, A.A. Зайцев // Актуальные проблемы естественных наук и их преподавания: Сб. научн. тр. Липецк: ЛГПУ, 2008.-286с.

14. Резников, А. Н. Теплофизика резания. -М.: Машиностроение, 1969. -288 с.

15. Н.Бобровский, В. А. Электродиффузионный износ инструмента /В.А. Бобровский-М.: «Машиностроение», 1970. 202 с.

16. Лухвич, А. А. Структурная зависимость термоэлектрических свойств и неразрушающий контроль / A.A. Лухвич, A.C. Каролик, В.И. Шарандо. — Мн.: Навука i тэхшка, 1990. 192 с.

17. Лухвич, A.A. Влияние дефектов на электрические свойства металлов / A.A. Лухвич. Мн.: Наука и техника, 1976. - 104с.

18. Павлов, Б.П. Термоэлектрическая неоднородность электродов термопар / Б.П. Павлов. М.: Изд-во стандартов, 1979. - 216 с.

19. Кавторадзе, P. 3. Локальный теплообмен в поршневых двигателях: Учеб. пособие для вузов. — 2 изд. испр. и доп. /Р.З. Кавторадзе. —М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. — 472 е.: ил.

20. Abaqus user's manual. / DassaultSystemesSimulia corp. Providence, RI, USA, 2009

21. Рейнер, M. Реология: пер. с англ. / М. Рейнер; под ред. Н.И. Гамаюнова — М.: Наука, 1965 — 224с

22. Piscataway, New Jersey, USA, 2001. — 153p.i

23. Подмастерьев, K.B. Электропараметрические методы комплексного диагностирования опор качения / К.В. Подмастерьев. — М.: Машиностроение-!, 2001. 376 с.

24. Lee, Е.Н. The Theory of Plasticity Applied to a Problem of Machining. / E. H. Lee, B.W. Shafer, J. Appl. Mech.,Trans. ASME, 73:405-413, 1951

25. Strenkowski, J. S., Moon K. J. Finite element prediction of chip geometry and tool/workpiece temperature distributions in orthogonal metal cutting / J. S. Strenkowski, K.J. Moon. ASMEJ. Eng.Ind., 1990. — 112p.

26. Merchant, M. E. Mechanics of Metal Cutting / M. E. Merchant // Application Physics — 1945. —№12 — p. 267-324.

27. Shaw, M. C. Metal Cutting Principles / M.C. Shaw. — Oxford University Press, Inc., New York, second edition, 2005.

28. Kazban R. V. Effect of tool parameters on residual stress and temperature generation in high-speed machining of aluminum alloys: Dissertation of Doctor of Philosophy. University of Notre Dame, Indiana, 2005. - 139 p.

29. Тимофеев, В. Ю. Исследование изменения термо-ЭДС резания в процессе износа инструмента. /В.Ю. Тимофеев, А.А. Зайцев // Необратимые процессы в природе и технике: Сб. научн. тр. Часть 2. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009. - 720с. - С. 220 - 223.

30. Трусов, В. В. Активная диагностика состояния режущего инструмента по контактной температуре резания. / В. В, Трусов // Расчёт режимов на основе общих закономерностей процессов резания: Межвуз. сб. Ярославль, 1982.

31. Гулд, X. Компьютерное моделирование в физике: пер. с англ./ Х.Гулд, Я. Тобочник. —М.: Мир, 20001 — 752 е.: ил.

32. Самарский, А.А. Вычислительная теплопередача / А.А. Самарский, П.Н. Вабишевич. М.: Едиториал УРСС, 2003. - 784 с.

33. Макаров, Е.Г. Инженерные расчёты в MathCAD: учебный курс. — СПб.: Питер, 2005. — 448 е.: ил.

34. Основы математического моделирования. Построение и анализ моделей на языке MATLAB: учебное пособие / Д.Л.Егоренков, А.Л.Фрадков, В.Ю.Харламов / Под ред. А.Л.Фрадкова.- СПБ.: Изд-во БГТУ, 1994 191 с.

35. Дифференциальные уравнения в частных производных Электронный ресурс. — Режим доступа: http://cityradio.narod.ru/content/view/656/16/, свободный. Загл. с экрана.— Яз. рус., англ.

36. Алексеев, Е. Р. Решение задач вычислительной математики в пакетах MathCAD 12, МАТЬ AB 7, Maple 9 / Е.Р. Алексеев, О.В. Чеснокова. — М.: HT Пресс, 2006. — 496 е.: ил.

37. Ли, К. Основы САПР (CAD, САМ, CAE) / К. Ли. — СПб.: Питер, 2004. — 560 е.: ил.

38. Галлагер, Р. Метод конечных элементов. Основы: пер. с англ. — М.: Мир, 1984. — 428 е., ил.

39. Вервейко, Н. Д. Применение метода конечных элементов в механике сплошных сред. / Н.Д. Вервейко Н. Д., Семыкина Т.Д. — Воронеж: ВГУ, 2003. —51с.

40. Басов, К. A. ANS YS: справочник пользователя / К. А. Басов М.: ДМК Пресс, 2005. — 640 е.: ил.

41. Чигарев, A.B. ANSYS для инженеров: Справ, пособие / A.B. Чигарев, A.C. Кравчук, А.Ф. Смалюк . М.: Машиностроение-1, 2004. — 512 с.:ил.

42. Каплун, А. Б. ANS YS в руках инженера: практическое руководство / А.Б.Каплун, Е.М.Морозов, М.А. Олферьева. — М.: Едиториал УРСС, 2003. —272 с.: ил.

43. SC Software. MSC Mark User Guide. — MSC Software, 2007. — 1650 е.: ил.

44. Scientific Forming Technologies Corporation. DEFORM 3D Version 6.1(sp2) User's Manual — Scientific Forming Technologies Corporation, 2008. — 415 е.: ил.

45. Scientific Forming Technologies Corporation. Simulating Drilling Processes with DEFORM-3D. — Scientific Forming Technologies Corporation, 2008. — 13 е.: ил.

46. Тимофеев, В. Ю., Зайцев А. А. Неразрушающая диагностика свёрл методом измерения термо-ЭДС / В.Ю. Тимофеев, А.А. Зайцев // Актуальные проблемы естественных наук и их преподавания: Сб. научн. тр. Липецк: ЛГПУ, 2008.-286с.

47. ОСТ 885-77. Сверла спиральные. Диаметры. Введ. 1977 - М.: Стандар-тинформ, 1978-Зс.

48. Баранчиков, В. И. Справочник конструктора инструментальщика / Боровский Г. В. и др.; под общ. ред. В. И. Баранчикова — М.: Машиностроение, 1994. — 560 е., ил.

49. Родин, П. Р. Металлорежущие инструменты / П.Р. Родин. — Издательское объединение «Вища школа», 1974. — 400 с.

50. ГОСТ 19265-73. Прутки и полосы из быстрорежущей стали. Технические условия. — Введ. 1973. -М.: Стандартинформ, 1974.- 3 с.

51. BS EN ISO 4957:2000. Tool steels.

52. DIN 17350-10. Tool steels. Tool steels; dimensions and tolerances of wrought or premachined or finish-machined bars.

53. Беляев, H. M. Сопротивление материалов /Н.М. Беляев- М.: Наука, 1965.- 856с., ил.

54. Варданян, Г.С. Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности / Г.С. Варданян, В.И. Андреев, Н.М. Атаров М.:АСВ, 1993.-573с., ил.

55. Болтон, У. Конструкционные материалы: металлы, сплавы, полимеры, керамика, композиты: пер. с англ. / У. Болтон М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2004 — 320с., ил.

56. Физические величины: справочник // А.П. Бабичев, H.A. Бабушкина и др.; под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991.- 1232 с.

57. Brandes, Е. A. Smithells metáis reference book / E.A. . Brandes. Oxford : Butterworth-Heinemann, 1998 — 457c.

58. Nayar, A. The metals databook / A. Nayar. New York: McGraw-Hill, 1997760c.

59. Doege Eckart. Fließkurvenatlasmetallischer Werkstoffe / Doege Eckart, Heinz Meyer-Nolkemper, Imtiaz Saaed. München: Hanser, 1986. — 223c.

60. Богатов, А. А. Механические свойства и модели разрушения металлов: Учебное пособие для вузов /A.A. Богатов. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2002. -329с.

61. Барановский, Ю. В. Режимы резания металлов. Справочник / Ю.В. Барановский, JI.A. Брахман JI. А. и др.; под ред. Ю. В. Барановского. — М.: Машиностроение, 1972. — 407с.

62. Грановский, Г. И. Резание металлов: учебник для машиностр. и прибо-ростр. спец. вузов / Г.И. Грановский, В.Г. Грановский. — М.: Высш. шк., 1985. —304 е., ил.

63. Кононенко, В.И. Износ инструментов при резании металлокерамических материалов / В.И. Кононенко. М.: Машиностроение, 1972. - 73 с.

64. Лоладзе, Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента / Т.Н. Лоладзе. — М.: Машиностроение, 1982. — 320 с : ил.

65. Лоладзе, Т.Н. Износ режущего инструмента / Т.Н. Лоладзе. М.: Машгиз, 1958.-356 с.

66. Макаров, А.Д. Износ инструмента, качество и долговечность деталей из авиационных материалов: учеб. пособие / А.Д. Макаров, B.C. Мухин, Л.Ш. Шустер. Уфа: Изд-во УАИ, 1974. - 372 с.

67. Мухин, B.C. Особенности механизма износа твердосплавного инструмента при обработке жаропрочных никелевых сплавов /B.C. Мухин // Про- „ блемы обрабатываемости жаропрочных сплавов резанием: Тез. докл. Всесоюзной конф.- Уфа, 1986 С. 143 - 147

68. Мухин, B.C. Износ инструмента, качество и долговечность деталей из авиационных материалов: Учеб. пособие /B.C. Мухин, Л.Ш. Шустер. -Уфа: Изд-во УАИ, 1987.-217 с.

69. Шустер, Л.Ш. Роль схватывания в износе твердосплавных резцов / Л.Ш. Шустер // Труды УАИ. Вып. 34. Вопросы оптимального резания металлов.- Уфа, 1972. С. 84-92

70. Гордов, А.Н. Основы пирометрии / А.Н. Гордов. — М.: Металлургия, 1971.-228с.

71. Рудицкий, A.A. Термоэлектрические свойства благородных металлови сплавов / A.A. Рудницкий. М.: Изд-во АН СССР, 1958. - 322с.

72. Коробко, А. В. Контроль состояния инструмента на многоцелевых станках /A.B. Каплун, Е.М. Морозов, М.А. Олферьева // Станки и инструмент. 1992. - № 2. — С. 20-23.

73. Виттенберг, Ю. Р. Шероховатость поверхностей и методы её оценки. JL: Судостроение, 1971. - 106с.

74. Дёмкин, Н. Б. Качество поверхности и контакт деталей машин / Н. Б. Дёмкин, Э.В. Рыжов -М.: Машиностроение, 1981. 244с.

75. Аршинов, В.А. Резание металлов и режущий инструмент: Учебник для машиностроительных техникумов / В.А. Аршинов, Г.А. Алексеев. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1976. - 326 с.

76. Лоладзе, Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента / Т.Н. Лоладзе. — М.: Машиностроение, 1982. — 320 с : ил.

77. Кононенко, В.И. Износ инструментов при резании металлокерамических материалов / В.И. Кононенко. М.: Машиностроение, 1972. - 73 с.

78. Рубиштейн, С. А. Основы учения о резании металлов и режущий инструмент / С. А. Рубинштейн, Г. В. Левант, Н. М. Орнис, Ю. С. Тарасевич. — М.: Машиностроение, 1968. — 392с.

79. Неразрушающий контроль металлов и изделий: справочник / под ред. Г. С. Самойловича. -М.: Машиностроение, 1976. 228 с.

80. Ильин, А. Н. Разработка системы оперативной диагностики режущего инструмента по электрическим параметрам процесса: резания: Дис. канд. техн. наук: 05.13.07 / А. Н. Ильин. — Уфа, 2000. — 191 е.: ил.

81. Кацев, П. Г. Статистические методы исследования режущего инструмента / П. Г; Кацев. — М.: Машиностроение, 1974. — 231 с.

82. Солнцев, Б.А. Влияние паразитной термо-ЭДС на точность измерения температуры резания методом естественной термопары. / Б. А. Солнцев // Производительная обработка и технологическая надёжность деталей машин: Межвуз. сб. -Ярославль, 1979. -№8.

83. Петров, В. А. Тепловые флуктуации как генератор зародышевых трещин / В. А. Петров // Физика прочности и пластичности. Л.: Наука, 1986 — С. 16-27

84. Калашников, М. А. Разработка и исследование переменно-частотного метода электрических измерений параметров поверхностных слоёв металлических изделий: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.13.07 / М. А. Калашников. Уфа, 1987. - 24с.

85. Хомицкий, О. В. Метод расчёта фактической площади соприкосновения поверхностей электрических контактов / О.В. Хомицкий // Приборы и системы автоматики. 1973. — Вып. 23. - С. 77-87.

86. Френкель, Я. И. Теория электрических контактов между металлами / Я. И. Френкель // Журнал и экспериментальной и теоретической физики. -1946. Т. 16, Вып. 4. - С. 22 - 29

87. Исаев, Ш. Г. Разработка системы автоматического управления силами резания по электрической проводимости контакта «инструмент-деталь»: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.13.07 / Ш. Г. Исаев. Уфа, 1987. - 24 с.

88. Тимофеев, В. Ю. Программа логического анализатора сигналов на входах СОМ-порта / В.Ю. Тимофеев // Радио. 2007. - № 8. - С. 27 - 28.

89. Понтрягин, Л.С. Обыкновенные дифференциальные уравнения / С.Л. Понтрягин. М.: Наука, 1970. - 331 с.

90. Тимофеев В. Ю. Модель устройства диагностики металлорежущего инструмента по сигналу термо-ЭДС. Текст. / В. Ю. Тимофеев, А. А. Зайцев, А. В. Крутов. // Вестник Воронежского государственного1 технического университета. — 2009. — № 4. — С. 42-45.

91. Тимофеев В. Ю. Моделирование тепловых полей в сложных динамических системах средствами САПР. Текст./ В. Ю. Тимофеев, А. А. Зайцев. // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. — 2009. — № 2 — С. 115 122