автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности обработки лезвийным инструментом на основе учета физико-механических характеристик материалов

Р1 О

2 О Г-0/

г" .

Санкт-Петербургский институт машиностроения

На правах рукописи

ПЕТРОВ Владимир Маркович

УДК 621.914.08

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАБОТКИ ЛЕЗВИЙНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ НА ОСНОВЕ УЧЕТА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.03.01 - процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1995

Работа выполнена на кафедре "Теоретическая механика" Санкт-Петербургского института машиностроения (ВТУЗ-ЛМЗ)

Научный руководитель - академик Международной, Российской,

Санкт-Петербургской Инженерных академий, заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор В.Л.Вейн.

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент

Д.В.Васильков.

Официальные оппоненты - академический советник Санкт-Петербургской Инженерной академии, доктор технических наук, профессор К.Н.Воинов

- кандидат технических наук, донент В.А.Шмаков

Ведущее предприятие - АО "Звезда"

Защита состоится 14 декабря 1995 г. в 16°° часов в аудитории 232 главного учебного корпуса на заседании диссертационного Совета К-064.82.01 ПИ Маш (ВТУЗ-ЛМЗ), Полшсгровскни пр., 14.

С диссертацией можно ознакоми ться в библиотеке ПИ Маш (ВТУЗ-ЛМЗ).

Автореферат разослан " ^ " HQ$fp&

1995 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат технических наук, доцент В.Э.Хптрик

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАБОТКИ ЛЕЗВИЙНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ НА ОСНОВЕ УЧЕТА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ

Общая характеристика работы

Актуилыюсть темы. Лезвийная обработка является наиболее тспространснным видом формообразования заготовок деталей ашин. 'Здесь значительный удельный вес составляет обработка то-лшем, которая присутствует практически у 80% обрабатываемых [готовок. Особого внимания заслуживает обработка таких уника->ных деталей энергетических машин, как роторы паровых, газо-»IX турбин п компрессоров, цилиндры высокого, среднего и низ-эго давлений, статоры и роторы генераторов электрических ашин, а также другие аналогичные изделия.

На современном этапе развития производства необходимо обес-:чивать рациональное управление процессом лезвийной обработ-1, в частности точением, с целыо достижения "фебуемых параме-юв точности обработки и качества поверхностного слоя: наклепа, гаточных напряжений, микрогеометрии и др. В нааояшсс вре-1 при назначении режимов резания на этапе проектирования тс-юлогичсских процессов, как правило, физико-мсханичсские ха-ктсристнкп поверхностного слоя материалов заготовки и инст-'мента учитываются весьма приближенно по обшсмашинострои-льным справочникам или стандартам предприятий. Следствием ого является неполное использование возможностей станков с ПУ по управлению процессом резания и безусловному обеспечено требований по качеству поверхностного слоя. Указанное опре-ляет резерв повышения эффективности лезвийной обработки, |цчем выявление и использование данного резерва является ак-альной практической задачей.

Цель работы. Повышение производительности и качества лез-йиой обработки на основе моделирования процесса резания с фференнированным учетом физико-механических характерис-к материалов.

Научная новизна. Предложена обоснованная модель процесса работки точением на основе теории подобия с учетом физико-ханичсских характеристик поверхностного слоя материалов для

выполнения комплекса исследовании по достижению заданной точности и качества поверхностного слоя.

Предложен метод определения физико-механических характеристик поверхностного слоя инструментального и обрабатываемого материалов на основе вдавливания индентора в поверхностный слой конструкционного материала. Разработано программно-аппаратное обеспечение измерительно-вычислительного комплекса (ИВК), реализующего данный метод. Проведен комплекс исследований по метрологическому обеспечению ИВК.

Разработаны методики контроля напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя конструкционных материалов на основе диаграмм вдавливания, которые позволяют до и после механической обработки оценить количественно твердость, остаточные напряжения, пластичность, ползучесть, упругие свойства в зависимости от глубины внедрения индентора.

На базе предложенной модели создана система программной адаптации лезвийной обработки деталей типа тел вращения, позволяющая на этапе проектирования механической обработки учесть влияние на процесс сфужкообразования при резании основных физико-механических характеристик поверхностного слоя конструкционных материалов.

Практическая ценность. Разработан измерительно-вычислительный комплекс "Твердость", который на основе метода измерения твердости позволяет определять физико-мсханичсские характеристики поверхностного слоя инструментального и обрабатываемого материалов. Разработана система программной адаптации токарной обработки деталей, которая позволяет обеспечить высокую производительность обработки при жестких ограничениях по точности и качеству поверхностного слоя материалов.

Реализация в промышленности. Измерительно- вычислительный комплекс "Твердость" и автоматизированная система программной адаптации обработки использованы для оценки напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя ответственных изделий АО "Ленинградский Металлический Завод" и определения рациональных режимов обработки точением роторов паровых турбин. Выполнены исследования напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя образцов после различных видов механической обработки, поверхностного упрочнения,

нанесения покрытий, термообработки образцов „тля различных предприятий, организаций и учреждений, таких как АО "'Звезда", АО "НПЦ Контакт", ИТМО, СПбГТУ и др.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на НТС РОСКОММАШа в 1994 г., на НТС УМПО в 1991 г., г.Уфа, на научных семинарах в Доме Ученых им. М.Горького в 1992 - 1993 гг., в ЛДНТП 1991 - 1994 гг., на Межрегиональном научно-практическом семинаре 26-27 апреля 1995 г., г.Иваново, ИГТА, па конференции 5-7 сентября 1995 г.,г. Одесса ,УДЭНТЗ, на научно-методическом семинаре ПИ МАШ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и определены основные направления исследования, изложена структура работы.

Первая глава посвящена анализу исследований в области лезвийной обработки заготовок типа тел вращения.

Исследованиями в области теории резания конструкционных материалов с целью повышения эффективности лезвийной обработки занимались отечественные и зарубежные ученые: Аваков A.A., Бсзьязычный В.Ф., Белоусов А.И., Бобров В.Ф., Грановский Г.И., Даниелян A.M., Евсеев Д.Г., Зорев H.H. Исаев А.И., Клушин М.И., Колев К.С., Кузнецов В.Д., Лоладзе Т.Н., Макаров А.Д., Маталин A.A., Мурашкин Л.С.. Мурашкин С.Л., Подураев В.Н., Полешка М.Ф., Резников А.Н., Розенберг A.M., Силин С.С., Старков В.К., Талантов Н.В., Шатсрин М.А., Herbert Ed., Shaw М.С., Finnie Y., Chao В.Т., Trigger К., Backer W.R., Marchall E.R., Smart E.F., Trent E.M.

Эффективность лезвийной обработки в значительной степени определяется условиями силового взаимодействия между режущим инструментом и обрабатываемой заготовкой. В настоящее время определение эффективных режимов резания затруднено в связи с отсутствием достоверных сведений о значениях физико-механических характеристик поверхностного слоя, определяющих процесс взаимодействия при резании данной пары: "инструмент-заготовка". Применяемые в машиностроении эмпирические

зависимости более или менее точно отражают исследуемые физические явления только для тех конкретных условий обработки, в которых они были определены. То же можно отметить относительно достоверности характеристик обрабатываемого и инструментального материалов.

Процессы резания сопровождаются достаточно сложными явлениями, точное математическое описание которых представляет собой достаточно сложную задачу. Поэтому для изучения процессов резания наряду с теоретическими и эмпирическими методами исследования находит широкое применение теория подобия, соединяющая в себе положительные качест ва обоих методов исследования - хорошую достоверность результатов экспериментального и большую общность теоретического методов. Результаты экспериментов в теории подобия обрабатываются с помощью критериев подобия.

В настоящее время возможности по управлению обработкой ограничиваются отсутствием информации о состоянии поверхностного слоя материалов заготовки и режущего инструмента.

Использование усредненных данных из нормативно - справочной информации приводит к погрешности при расчете режимов резания. Необходима разработка экспресс-метода количественной оценки напряженно-деформированого слоя конструкционных материалов.

На основании выполненного анализа и в соответствии с целью работы определены следующие задачи:

1. Синтезировать научно обоснованную теплофизическую модель процесса резания для использования в качестве базы при выполнении комплекса исследований с целыо повышения эффективности лезвийной обработки конструкционных' материалов.

2. Разработать экспресс-метод дифференцированного учета физико-механических характеристик обрабатываемого и инструментального материалов на основе имитационного моделирования термоупругопласгической задачи при контактном взаимодействии инструмента и заготовки.

3. Предложить методику и эффективные средства производственных испытаний физико-механических характеристик материалов на основе разработанного метода анализа твердости и вы-

полни"п. исследования напряжетю-деформированного состояния повсрхнос 1 но1 о слоя материалов обраба тываемых изделий.

4. Создан, программно-аппаратное обеспечение измеритель-но-вычислшс.тьного комплекса контроля физико-механических характеристик поверхностного слоя ма териалов.

5. Выполшнь комплекс экспериментальных исследований с целью обоснования правомерности исходных допущений, приня-1ых решений и предложенных рекомендаций по повышению эффект ивпос! и лезвийной обработки коне 1рукиионных материалов.

6. Разрабокнь автоматизированную eueiему программной ада-тапин лезвийной обработки с целыо выбора рациональных режимов резания с учеюм физико-механических характеристик материалов.

7. Провес ni i схнико-экономическии анализ целесообразности внедрения в промышленное!ь разработанных методов и средств.

Во Biopoii 1 лаве па базе олсмстов моделей процесса резания, разрабо 1 апных Лоладзс Т.Н.. Макаровым А.Д.. Силиным С.С., сформирована обоснованная i еплофизическая модель процесса лезвийной oôpaôoïKii, котрая предусма ipiiBaei следующую послс-дова iелыкнч i> дейслвий: целенаправленный выбор физико-механических характеристик ма1ериалов пары "инструмент-заготовка", icoMcipim режущею îiiicipysiciiia и контрольных режимов резания; кошроль состояния поверхностного слоя заготовки по диа-1раммам внедрения индснюра и расчс1 дополни i е.тьных физико-мсханичсскнх харакгеристк; формирование критериев подобия; расче! сил и 1емператур в зоне резания: расчет рабочей подачи с учеюм накладываемых технических ограничении; расчет оптимальных юплофизичсских характеристик" (температуры, скорости, относительною линейного износа) ятя пары "инструмент-заготовка"; сравнение огпималыюй и рассчитанной скоростей резания; назначение зффекливных режимов резания при механической обработке.

Для осуществления расчетов сил и температур в зоне резания приняты следующие критерии подобия: Ре - критерий Пекле, хара-клеризующий cicncin. влияния режимных условий процесса, по сравнению с влиянием теплофизических свойств обрабатываемого материала; критерий F, отображающий влияние геометрии инструмента и отношение теплопроводностей инструментального и об-

рабатываемого материалов; критерий О- характеризующий геометрию сечения среза; критерий М- характеризующий отношение периметра рабочих участков режущих кромок к ширине среза; критерий Е - характеризующий геометрию сечения среза при наличии радиуса скругления режущей кромки. Был рассмотрен также параметр В, характеризующий степень пластической деформации металла снимаемого припуска и поверхностного слоя обрабатываемой заготовки. Параметр определялся по критериям подобия на основе уравнений

где В1 Вх Вх В\, В^ Зх В- . функции, получаемые на основе критериев подобия.

Полученное уравнение решается относительно-параметра И численно на основе предложенного итерационного алгоритма. При этом целевая функция имеет вид

Для комплексной оценки напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя исследуемого материала введены некоторые кинематические характеристики временной и силовой диаграмм вдавливания: характеристика внедрения - эквивалент предела пропорциональности; характеристика ползучести - эквивалент предела прочности; упругая характеристика, определяющая упругие свойства испытуемого материала; характеристика пластичности - эквивалент предела текучести; характеристика упруго-пластического восстановления - характеристика, пропорциональная отношению внутренних напряжений в слое глубиной кв (максимальная глубина внедрения индентора) к модулю упругости материала. Указанное дает возможность определить величину средних внутренних напряжений а в данном слое

В*-В= 1 ;

ВI В> Вл Ве В* = — +—

В, &

>0.

/и—/ю СУ—-• £ *с

Ь

где Е - модуль упругости материала; Л> - глубина востановлен-ного отпечатка; с . коэффициент формы индентора.

Наличие диаграммы вдавливания дает возможность определения твердости по Викксрсу НУ, как по невостановленному, так и по восстановленному отпечаткам. Указанные характеристики определяются инвариантно в автоматизированном режиме. Предложенный метод прост в реализации и может быть использован в цеховых условиях. Режимы резания, рассчитанные с использованием характеристик материалов по результатам измерения, достаточно точно соответствуют реальным условиям.

При взаимодействии режущего инструмента и заготовки в зоне резания генерируются высокие температуры, которые существенно влияют на физико-механические характеристики материалов. Для учета влияния температур на физико-механические характеристики материалов было проведено имитационное моделирование в консчноэлсмснтной постановке в рамках плоской контактной тсрмоупругопластической задачи. Рассмотрение данной задачи было осуществлено по разработанному алгоритму, отображающему построение совокупности стационарных решений применительно к системе уравнений1

ИМ-М-МИ-М

где [к] - матрица жесткости модели; п- порядок системы уравнений, п=тП(; т~ число обобщенных координат в узле модели; 'V-

число узлов модели; - вектор обобщенных координат модели;

1 Здесь приняты обозначения векторно-матричного аппарата, характерные для МКЭ, см., например: Расчет машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник / Под об-щей редакцией В.И.Мяченкова. - М.: Машиностроение. -1989. - 520 с.

. вектор обобщенных узловых нагрузок модели; - матрица теплопроводности модели; {т*}- вектор узловых температур модели; (в) - вектор термической нагрузки.

Рассматриваемая модель формировалась на основе треугольных элементов, для которых были получены соответственно матрицы

жесткости [а;] и теплопроводности

[.Г<:.>'м им

где «У- площадь элемента, [#], [о], [о] - матрицы приведения;

- матрица упругих коэффициентов; [л]- матрица температурных свойств.

При конечноэлементной формулировке ставилось две основные задачи: определение глубины внедрения индентора в зависимости от температуры в зоне контакта; определение напряжений в материале под индентором.

На основе полученной дискретной модели можно вычислить ряд физико-механических характеристик обрабатываемого и инструментального материалов. При исследовании процесса резания важной физико-механической характеристикой в зоне стружко-

образования является напряжение сдвига Г , которое функционально связано с условным пределом текучести ^. Значение СГ

может быть получено на основе расчетов с использованием рассмотренной выше модели. Оно определяется как среднее напряжение в локальной зоне под индентором в зависимости от температуры в зоне внедрения. В результате моделирования может быть получено также температурозависимое значение твердости

HV, которая, в свою очередь, также коррелируется с величинами

Имитационное моделирование в конечноэлементной постановке позволяет решить очень важную задачу - получить температу-розависимые значения твердости, а также внутренние напряжения в поверхностном слое исследуемого материала, которые до 30 и более процентов могут отличаться от соответствующих величин без учета влияния температуры. Эти данные в значительной степени определяют достоверность результатов расчета режимов резания при лезвийной обработке.

В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования физико-механических характеристик материалов и режимов резания при лезвийной обработке.

Для количественной оценки физико-механических характеристик поверхностного слоя конструкционных материалов разработан измерительно-вычислительный комплекс "ТВЕРДОСТЬ" с соответствующим программно-аппаратным, метрологическим и методическим обеспечением (рис. 1).

Рис. 1. Функциональная схема ИВК "ТВЕРДОСТЬ".

I - электронно-механический блок; II - микропроцессорный контроллер; III - ПЭВМ; 1 - механизм нагружения; 2 - направляющий механизм; 3 - микроскоп с окулярным микрометром; 4 - датчик перемещения; 5 - испытуемое изделие.

Основными режимами работы ИВК "ТВЕРДОСТЬ" являются: тестирование и измерение. Режим тестирования включает последовательность действий по силовой и размерной тарировке

II

нагружающего механизма и измерительной системы, а также тестированию на кристалле ИаС1. Режим измерения включает последовательность действий по экспериментальному определению физико-механических характеристик поверхностного слоя материала методом анализа твердости. Он включает: подвод ин-дентора до касания к исследуемому материалу (контрольная нагрузка на индентор 0,05 Н); внедрение индентора в поверхность по заданному закону; выстой под нагрузкой в течение установленного времени; возврат индентора в исходное положение; пост-роение силовой и временной диаграмм вдавливания: определение характеристик поверхностного слоя. Результаты тестирования ИВК "ТВЕРДОСТЬ" показали, что он имеет допустимую пофешность, не превышающую 1 %.

С использованием ИВК "ТВЕРДОСТЬ" были проведены экспериментальные исследования по комплексной опенке напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя ответственных изделий, применяемых в современном машиностроении: твердосплавных пластин и пластин из быстрорежущей стали с покрытиями и различными видами поверхностной обработки (по номенклатуре, согласованной с Санкт-Петербургским Государственным Техническим университетом); трубок нагревателей из стали 08X18Н9Т после различных видов термообработки и механических испытаний (изделий АО "ЛМЗ"); конструкционных материалов ответственных деталей высокооборотных судовых дизелей (изделий АО "Звезда") - в исходном состоянии заготовок и после разных видов лезвийной обработки, предусмотренных технологическими процессами. Результаты исследований показали различия в состоянии поверхностного слоя испытанных изделий по таким важным количественным характеристикам, как внедрение, ползучесть и упруго-пластическое восстановление. Это дало возможность получить для различных технологий такие важные характеристики поверхностного слоя, как твердость, упруго-пластические свойства, средние напряжения и распределение действительной эпюры напряжений по глубине внедрения индентора.

Для определения температурозависимых физико-механических характеристик поверхностного слоя материалов, необходимых при расчете режимов резания, было проведено имитационное моделирование термоупругопластической задачи в конечноэлемен-

тной постановке. В качестве исследуемого материала была принята широко применяемая в энергомашиностроении сталь 25X1М1Ф. Моделировалось действие индентора с углом при вершине 136°. Нагрузка на индентор составляла 0,05___10 Н. В зоне

контакта индентора с поверхностью материала генерировалось действие температуры 20 ... 700°С. Результаты моделирования, представленные на рис.2 в виде осредненных значений, полученных методом малой выборки, показали, что при температуре в зоне контакта до 700°С глубина внедрения индентора увеличивается на 30% и более. Указанное, в свою очередь, приводит к соответствующему уменьшению твердости.

Рис. 2. Результаты моделирования взаимодействия индентора с поверхностью материала. Нагрузка на индентор Р = 2 Н. 1- глубина внедрения индентора: Ъ- твердость НУ.

Для проверки работоспособности разработанной модели процесса резания было проведено экспериментальное исследование по обработке точением образцов диаметром 50 мм из стали 25X1М1Ф. Была проведена обработка на контрольных и определенных на базе разработанной модели рациональных режимах резания. До и после обработки состояние поверхностного слоя образцов контролировалось ИВК "ТВЕРДОСТЬ". Выбор рациональных

режимов резания с учетом физико-механических характеристик материалов позволил повысить производительность по отношению к контрольным режимам на 12%. При этом средние остаточные сжимающие напряжения в поверхностном слое уменьшились от 204 МПа до 118 МПа.

В четвертой главе рассмотрены вопросы программной адаптации обработки заготовок точением с дифференцированным учетом физико-механических характеристик поверхностного слоя обрабатываемого и инструментального материалов. Установлено, что задача адаптации должна решаться комплексно, начиная с подготовки производства и заканчивая непосредственно обработкой. Для решения этой задачи разработана система программной адаптации, позволяющая совместно с ИВК "ТВЕРДОСТЬ" сформировать условия взаимодействия режущего инструмента и заготовки с дифференцированным учеюм их физико-механических характеристик, которые обеспечивают максимальную производительность при заданном качестве поверхностного слоя изделия. Систему можно раздели п. условно на шесть укрупненных блоков, взаимодействующих друг с другом: организация исходных данных; определение физико-механических характеристик поверхностного слоя материалов: идентификация вида обработки; формирование критериев подобия; определение теплофизических характеристик в зоне резания; определение оптимальной скорости резания; выбор рациональных режимов резания по технических ограничениям. Алгоршм программной адаптации, представленный на рис. 3, построен по блочной, оптимизированной схеме с возможностью \tnoi овариамтных расчетов режимов резания.

В работе выполнен анализ экономической эффективности использования системы программной адаптации при обрабо тке точением ответственных изделий энергомашиностроения. На основе разработанной модели проведен выбор рациональных режимов резания при обработке на станке с ЧПУ ротора ВД турбины К-500-166-1. Применение адаптированных режимов резания, учитывающих физико-механические характеристики поверхностного слоя материалов, позволяет снизить трудоемкость обработки на 11%. Это дает экономический эффект на один станок с ЧПУ 5,9 млн. руб. в год.

"Г ¡Моделирующая система

2. Лрхнпы

3. _СУРВНЕ

1.1. Исходные данные

1.2. Вия обработки

1.3. Критерии подобия

1.4. Тепло-физические

характеристики

1.5. Оптимизация

16. Технические ограничения

1.5.1. Температура

1.5.2. Скорость резания

1.5.3. Износ инструмента

1.3.1. Ре

1.3.2. Г

1.3.3. Е

I 3.4 1) { 1 3.5. Х( 1.3.6. В

1.2.1. Количество режущих кромок

1.2.2. Характер движения

1.2.3. Кинематика резания

1.2.1.1. Однолезвинная

1.2.1.2. Многолезвийная

1.4.1. 1емпература на передней поверхности

1.4.2. Температура на задней __поверхности_

1.4.3. Силы резания

1.6.1. По качеству продукции

1.6.2. По техническим

возможностям системы

1.6.3. По организ.возм.

производства

1.6.1.1. Деформативность

1.6.1.2. Шероховатость

1.6.1.3. Остаточные напряжения

1.6.1.4. Твердость

1.1.1.

Геометрия режущего

инструмента.

1.1.2

1.1.3.

Размерно-технические

_характеристики_

1.1.4.

Фнзико-мех. хар-кн инструмента и заготовки

Оборудование и оснастка

1.1.5.

ГОСТы, ОСТы.СТП

1.1.2.1

Геометрия заготовкл

1.1.2.2.

Контрольные режимы резания

1.1.3.1.

1.1.

Задаваемые

Определяемые

Рис.3. Алгоритм автоматизированной системы программной адаптации лезвийной обработки

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании выполненных исследований показано, что интенсификация процесса точения заготовок на станках с ЧПУ может быть достигнута более полным использованием их возможностей путем назначения рациональных режимов резания с дифференцированным учетом физико-механических характеристик поверхностного слоя материалов.

2. На основе теории подобия синтезирована математическая модель процесса резания с возможностью учета с необходимой полнотой физико-механических характеристик обрабатываемого и инструментального материалов, позволяющая отобразить их напряженно-деформированное состояние, что существенно повышает достоверность результатов математического моделирования.

3. Предложен эффективный метод определения физико-механических характеристик конструкционных материалов, основанный на методе анализа твердости, который позволяет получать характеристики внедрения индентора, функционально связанные с напряженно-деформированным состоянием поверхностного слоя материалов.

4. Разработана конечноэлементная система имитационного моделирования задачи о внедрении индентора с учетом тепловых процессов в зоне внедрения, которая позволяет получать температуро-зависимые параметры твердости, необходимые для расчета тепло-физических характеристик процесса резания.

5. Предложен новый способ определения технологических остаточных напряжений методом анализа твердости, который позволяет оценить средние напряжения в поверхностном слое, а также построить эпюру распределения напряжений по глубине внедрения индентора.

6. Разработанный с целью выполнения комплексных исследований физико-механических характеристик поверхностного слоя материалов ИВК "ТВЕРДОСТЬ" является эффективным средством определения напряженно-деформированного состояния с широкой областью использования.

7. Применение ИВК "ТВЕРДОСТЬ" к оценке напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя ииструменталь-

иых и обрабатываемых материалов после различных видов механической, поверхностной и термической обработки позволило выявить отличия в количественных характеристиках, что позволяет использовать данный ИВК для контроля эффективности соответ-свугощей технологии.

8. Разработанный алгоритм программной адаптации создает возможность на этапе подготовки производства учесть с необходимой полнотой физико-механические характеристики и напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя заготовки до и после обработки с целью назначения эффективных режимов резания.

9. Проведенный комплекс экспериментальных исследований физико-механических характеристик поверхностного слоя материалов при различных видах обработки показал правомерность исходных предположений и работоспособность предложенного программно-аппаратного обеспечения.

10. Расчсг экономической эффективности обработки точением роторов паровых турбин показал, что обработка с адаптацией дает повышение поизводигсльности на 10-14%.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

1. Исследование зависимости температуры на передней и зад-ней поверхностях инструмента от параметров процесса резания / В.М.Пефов. М.Е.Федоров, Н.И.Прима / Автоматизация технологических процессов в машиностроении,- Тез. докл. Всесоюзной конференции.- Рубцовск: РДНТП,- 1987.- С. 48-50.

2. Петров В.М. Подсистема САПР ТП механической лезвий-нон обработки деталей в приборостроении / Тез. докл. научно-технического семинара.-Л.: ЛДУ,- 1991.-С. 12-13.

3. Петров В.М. САПР ТП токарной обработки деталей автомобилей / Материалы научно-технического семинара.- Л.: ЛДНТП,-1991,-С. 55-57.

4. Петров В.М. САПР ТП: влияние соотношения температурной микротвсрдости инструментального и обрабатываемого материалов на износ режущего инструмента / Тез. докл. научно-технического семинара,- С.-Петербург: ЛДУ.- 1992.- С. 18-19.

5. Петров В.М. Автоматизированный метод измерения микротвердости по невостановленному отпечатку / Материалы научно-технического семинара.- С.-Петербург: ЛДНТП,- 1992,- С. 34-35.

6. Петров В.М., Васильков Д.В. Исследование упруго-пластических характеристик поверхностного слоя материалов методом микротвердости / Межвуз. сб. научн. тр.- С.-Петербург: СЗПИ.-1995.-С. 54-67.

7. Петров В.М. Новый автоматизированный комплекс измерения микротвердости и других физико-механических параметров поверхностного слоя деталей машин / Динамика виброактивных систем. Межвуз. сб. научн. тр.- Иркутск: Изд. Иркутск, ун-та,- 1994. - С. 36-45.

8. Петров В.М., Щастливый О.Л. Автоматизация контроля напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов методом микротвердости / Тез. докл. межрегиональн. научно-практич. семинара,- Иваново: ИГТА,- 1995,- С. 28-31.

9. Петров В.М., Васильков Д.В. Автоматизированный комплекс измерения микротвердости (АКМТ).- С.-Петербург: Изд. АО НПЦ Контакт.- 1995,-С. 11-12.

10. Петров В.М., Васильков Д.В. Малогабаритный переносной измеритель твердости.- С.-Петербург: Изд. АО НПЦ Контакт.-1995 С. 12-13.

11. Васильков Д.В., Петров В.М., Могендович М.Р. Комплексное исследование качества поверхностного слоя конструкционных материалов / Ресурсо - и энергосберегающие технологии./ Тез. докл. Международной конференции,- Одесса: УДЭНТЗ,-1995,-С. 47-48.

Подписано к печати 16.10.95. Формат 60x90 1/16 Бумага тип №3. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 105. Издание Санкт-Петербургского института машиностроения. 195197. Санкт-Петербург, Полюстровский пр., 14.

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ современных подходов к исследованию эффективности лезвийной обработки

1.2. Опыт исследования контактных явлений при резании . 1?

1.3. Проблема адаптации лезвийной обработки по параметрам процесса резания

1.4. Цель и задачи исследования

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФШИКО-УЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

О". - >

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ- -ПРИМЕНИТЕЛЬНО К

ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКЕ.

1 Выборы и обоснование модели процесса резания

2.2. Определение физико-механических характеристик материалов

2.2.1. Исходные допущения и алгоритм решения задачи

2.2.2. Матрицы жесткости и теплопроводности элемента модели

2.2.3. Построение полной дискретной модели

2.3. Комплексное исследование напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя материалов методом измерения микротвердости

2.3.1. Кинематические характеристики диаграмм состояния поверхностного слоя материала.

2.3.2. Алгоритм определения технологических остаточных напряжении в поверхностном слое методом измерения твердости.

4.4, ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1, Программная адаптация обработки точением о дифференцированным учетом физико-механических харктериотик поверхностного слоя обрабатываемого и инструментального материалов является высокоэффективным средством повышения производительности обработки при обеспечении качества поверхности обрабатываемых изделий на станках о ЧПУ,

2, Разработанный алгоритм программной адаптации позволяет на этапе подготовки управляющей программы механической обработки учесть с необходимой полнотой физико-механические характеристики и напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя заготовки до и после обработки с целью назначения эффективных режимов резания,

3, Программная адаптация осуществляется с использованием широко апробированного в производственных условиях ИВК "ТВЕРДОСТЬ" } что позволяет в реальном режиме времени формировать исходные и промежуточные данные для расчета эффективных режимов резания,

4, Система программной адаптации построена по модульному принципу с возможностью диалогового участия в организации промежуточных вычислений, что дает возможность осуществлять многовариантные расчеты рациональных режимов резания,

5, Расчет экономической эффективности обработки точением роторов паровых турбин показал, что обработка с адаптацией дает повышение поизводительности на 11,.,15 %,

- 174

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1, На оснований выполненных исследований показано, что интенсификация процесса точения заготовок на станках с ЧПУ может быть достигнута более полным использованием их возможностей путем назначения рациональных режимов резания с дифференцированным учетом физико-механических характеристик поверхностного слоя материалов,

2, Разработана на основе теории подобия математическая модель процесса резания, с возможностью учета физико-механических характеристик и напряженно-деформированного состояния обрабатываемого и инструментального материалов, что существенно повышает достоверность результатов математического моделирования,

3, Предложен метод определения физико-механических характеристик поверхностного слоя конструкционных материалов позволяет получать характеристики внедрения индентора. Функционально связанные с напряженно-деформированным состоянием поверхностного слоя,

4, Разработана конечнозлементная система имитационного моделирования задачи о внедрении индентора с учетом температурных явлений в этой зоне, которая дает возможность определять темпе-ратурозавиоимые параметры твердости, необходимые для расчета тепло-физических характеристик процесса резания,

5, Предложен способ определения технологических остаточных напряжений методом анализа твердости, который позволяет определять средние напряжения в поверхностном слое, а также получать эпюру распределения напряжений по глубине внедрения индентора,

6, Разработанный на основе исследований Физико-механическик характеристик поверхностного слоя материалов 1ВК "ТВЕРДОСТЬ" является эффективным средством определения напряженно-деформированного состояния, имеющим широкую область применения в лабораторных и промышленных условиях. Применение ИВК "ТВЕРДОСТЬ" к оценке напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя инструментальных и обрабатываемых материалов после различных видов механической, поверхностной и термической обработки позволяет получить существенные отличия в количественных характеристиках, что дает возможность использовать данный ИВК для контроля эффективности оо-ответовующей технологии.

8. Разработанный алгоритм программной адаптации создает возможность на этапе подготовки управляющих программ механической обработки дифференцированно учесть физико-механические характеристики и напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя заготовки до и после обработки с целью назначения эффективных режимов резания, при различных видах лезвийной обработки.

9. Проведенный комплекс экспериментальных исследований физико-механических характеристик поверхностного слоя материалов при различных видах обработки показал правомерность исходных предположений и работоспособность предложенного программно-аппаратного обеспечения,

10. Расчет экономической эффективности обработки точением роторов паровых турбин показал, что обработка о адаптацией дает повышение поизводительности на 11,,,15 Ж,

1. Силин С.С.,Рывунов Н.С, Исследование процессов шлифования методами теории подобия / Труды Рыбинок, авиац. технолог, ин-та. Ярославль: Верхняя Волга, 1974, - N2. - С, 20 - 33,

2. Силин С.С.,Козлов В,А,К вопросу теоретического расчета сил резания / Производительная обработка и технологическая надежность деталей машин, Межвуз, об, научн, тр. Ярославль: Ярославск, политехн, ин-т, 1977, - N6, - С, 25-36,

3. Grain in Grinding, Annals of the CIRP, 1971, vol. 19/1, pp. 153 - 157,129, Herbert Ed,, HWork Hardering Propeties of metals53 Mechanical Engineering: September 1927,

4. Рб№5* кон тро ЛЬНУй Направление 01. ПАРАМЕТРУ ШЕРОХОВАТОСТИ1. Ва 0,241. Кг 0,881. Щ 0.2?1. Вт 1,071. Зга 425.003 20,33X10 20 30 40 50 60 70 80 90 10010 24 30 35 42 60 00 91 98I-А»1. ХЭ го I1. ОПОРНАЯ ПИНИЯ ПРОФИПЯ