автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка физической модели суставчатого стружкообразования как основы мониторинга и управления процессом обработки резанием труднообрабатываемых и других материалов

На правах рукописи УДК 621.91.01

РГб од

2 2 ДЕК 2000

ВИНОГРАДОВ Денис Олегович

РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СУСТАВЧАТОГО СТРУЖКООБРАЗОВАНИЯ КАК ОСНОВЫ МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ И ДРУГИХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физико-технической

обработки, станки и инструмент

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000

Работа выполнена в ОАО «Экспериментальный научно-исследоватеш институт металлорежущих станков» ЭНИМС

Научный руководитель

- доктор технических наук, профессо; Кудинов В. А.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессо{

Верещака A.C. - кандидат технических наук, доцент Ключников A.B.

Ведущее предприятие

- ФГУП ВМГ1 «АВИТЕК»

Защита состоится 22 декабря 2000г. в 10 часов на заседании диссертациол совета Д-169.07.01 ОАО «Экспериментальный научно-исследовательский инст металлорежущих станков» по адресу: 117926, г. Москва, 5-й Донской проезд, 21 (

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, пр< направлять гю указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного coi

Автореферат разослан 21 ноября 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

В.М. Гри

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие техники привело к созданию и использованию атериалов с особыми свойствами, таких как титановые сплавы, жаропрочные, не-жавеющие, высокопрочные стали и сплавы.

Известны трудности, возникающие с их лезвийной обработкой. В последнее ремя все ярче проявляется тенденция вытеснения операций шлифования при обра-1отке материалов, прошедших полный цикл термообработки и имеющих высокую вердость, лезвийной обработкой.

Получила бурное развитие тенденция повышения производительности лез-1Ийной обработки за счет увеличения скорости резания, что стало возможным в вязи с появлением новых инструментальных материалов.

Общим для используемых при этом процессов является то, что при достиже-ши определенной скорости резания происходит изменение характера процесса тружкообразования. При этом сливная стружка приобретает четко выраженное лементное строение. Образуется суставчатая (пилообразная) стружка, которая при [альнейшем увеличении скорости резания теряет сплошность и сходит в виде отельных фрагментов - образуется элементная стружка. Возникает актуальная про-!лема управления процессом резания, обеспечивающего получение в зависимости >т требований технологического процесса заданного типа стружки, поскольку с од-юй стороны элементность стружки приводит к увеличению износа инструмента, тсудшению качества поверхностного слоя и обработанной поверхности, а с другой - улучшению условий стружкодробления.

Цель и задачи работы. Целью работы является повышение качества обрабатываемых деталей при высокой производительности за счет осознанного управле-шя деформированием материала при резании, обеспечивающего получение задан-юго типа стружки в специфичной области суставчатого стружкообразовання, ха-)актерной, в том числе, для скоростного резания.

Для достижения поставленной цели необходимо, прежде всего, выяснить фироду процесса и разработать модель образования суставчатой стружки.

Методы исследования. В работе использованы современные теоретические и жспериментальные методы исследования процесса стружкообразовання. Теорети-(еские исследования осуществлялись на основе разработанной в последние годы «одели процесса резания, а также достижений в области теории упругости и пла-ггичности, в частности, бездислокационной концепции деформирования и разру-иения материальных тел. Экспериментальные исследования проводились при обработке резанием стальных заготовок на токарно-винторезном станке с одновремен-шм замером параметров процесса. Получающаяся стружка подвергалась микро-жопическим исследованиям. Обработка экспериментальных данных проводилась с ^пользованием компьютерной техники.

Научная новизна.

1. Предложена принципиально новая физическая модель суставчатого стр; кообразования, адекватность и непротиворечивость которой подтверждена ана зом согласования с экспериментальными данными, отличающаяся от существ} щих следующими особенностями:

- основана на представлении процесса резания как системы, описываюц упругопластическое деформирование при внецентренном сжатии, и на концепц деформирования как процессе межатомного замещения, предложенн: В.А. Кудиновым;

- условием потери сливного стружкообразования является достижение Г] ничной температурь:, соответствующей возрастанию градиента изменения свойс обрабатываемого материала от температуры;

- формирование суставчатой стружки определяется взаимодействием упруг и пластической частей напряженного состояния зоны деформирования;

- определены условия потери устойчивости суставчатого стружкообразован и перехода к элементной стружке;

- характеристика взаимодействия суставчатого стружкообразования с колеб ниями упругой системы;

- аналогия с релаксационными фрикционными автоколебаниями;

2. Предложена и проверена гипотеза о соответствии условий перехода к с) тавчатому стружкообразованию известному температурному критерию стойкое по А.Д. Макарову.

Практическая ценность. Предложены практические рекомендации по созл нию систем мониторинга и управления процессом резания с целью получения ти стружки, отвечающего требованиям, предъявляемым к технологическому процес в каждом конкретном случае.

Реализация результатов. Результаты работы в виде указанных практическ! рекомендаций, в том числе конкретные способы, переданы для промышленного и пользования на предприятия, связанные прежде всего с обработкой резанием тру необрабатываемых материалов, а также используются в учебном процессе обучеш студентов специальности 1201 по дисциплине "Процессы формообразования и и струмент" в ВятГТУ. Разработка систем мониторинга и управления процессом рез ния как перспективное направление развития современных технологий и оборуд вания, учитывающих применение новых обрабатываемых материалов и режиме обработки, как развитие данного исследования для конкретных условий обработ! представляет самостоятельную задачу. Соответствующие предложения по включ нию этих разработок в перспективные планы научно-исследовательских работ п реданы в ЭНИМС и ВятГТУ.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на еквартальных семинарах аспирантов ОАО "ЭНИМС" (Москва, 1998-2000), на ре-шальных научно-технических конференциях "Наука-производство-технология-злогия" (Киров, 1998-2000), на научно-практической конференции "Современные снологии в машиностроении" (Пенза, 1999) и на 3-й международной научно-шической конференции «Проблемы повышения качества промышленной лро-кции» (Брянск, 1998).

Публикации. По теме диссертации опубликовано б печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, ¡ших выводов, приложения и библиографического списка из 40 наименований. ;бота изложена на 130 страницах машинописного текста и содержит 33 рисунка и таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, и определяются основные на-пвления исследования.

В первой главе выполнен обзор сведений, отражающий существующие пред-авления об особенностях обработки жаропрочных материалов и материалов с высо->й твердостью, а также проанализированы модели, используемые для объяснения на-подаемых закономерностей суставчатого стружкообразования.

Вопрос изучения формирования суставчатой стружки в той или иной степени осматривался в работах В.Ф. Боброва и А.И. Седельникова, А.VI. Даниеляна, ,Н. Зорева, Ю.Г. Кабалдина, М.И. Клушина, A.A. Козлова, В.А. Кривоухова, Н. Лоладзе, Н.И. Резникова, Р.Ф. Рехта, Н.В. Талантова и других отечественных и юстранных исследователей.

Известно, что при достижении некоторой скорости резания сливная стружка зиобретает четко выраженное элементное строение. Значение этой скорости зависит : совокупности всех исходных параметров процесса резания. Образующаяся суставная стружка разительно отличается от элементной стружки, которая наблюдается при 13ких скоростях резания. Суставы стружки значительно мельче, имеют сравнительно цшаковую форму и размеры и прочно связаны друг с другом сильно деформирован->im слоем между суставами и тонким слоем вдоль контактной поверхности стружки, нутри сустава материал деформирован сравшгтельно слабо. Экспериментально уста-звлено, что чем больше твердость и прочность обрабатываемого материала и толщина )езаемого слоя, чем меньше передний угол (больше угол резания), тем при меньшей сорости резания сливная стружка переходит в суставчатую.

В настоящее время господствует представление о процессе резания как о про--ом сдвиге обрабатываемого пластического материала (главным образом металла) по iK называемой плоскости сдвига или по совокупности поверхностей. Исходным до-(тцением сдвиговой модели является пренебрежение моментом равнодействующей

сил резания вследствие малости ее плеча относительно режущей кромки резца. В ли процесса резания, предложенной В.А. Кудиновым и названной «динамичса устранено указанное ошибочное допущение, и процесс представляется не как сдс как внецентренное сжатие (сжатие и изгиб) обрабатываемого материала и стружки

Одной из причин «живучести» сдвиговой модели является существующее г ставление о деформации сдвига, которая, как известно, является определяющей существование пластических деформаций. Современным обоснованием физичо возможности реализации пластического сдвига служит представление о дислокаи Иное - бездислокационное - представление о деформациях, в том числе и о пласт ских, дает концепция деформирования и разрушения материальных тел, предложи В.А. Кудиновым.

Указанные динамическая модель процесса резания и концепция деформиров; и разрушения материальных тел положены в основу разработанной модели суставч го стружкообразования.

К настоящему времени установилась точка зрения о решающей роли тепле процессов в создании условий формирования суставчатой стружки. В основе всех яснений указанного типа стружкообразования лежит процесс локализации дефо; ции.

Впервые механизм периодичности стружкообразования, как явление потер* тойчивости деформационной системы вследствие «саморазогрева» материала при формировании на примере процесса наростообразования был разработан В.А. Куд: вым я получил название «температурного ножа». В работах М.И. Клушин Р.Ф. Рехта формирование суставчатой стружки рассматривается как сдвиг элеме произошедший в результате адиабатического разогревания зоны сдвига теплом, о зующимся при пластическом деформировании срезаемого слоя с высокой скорос деформаций. Данное представление получило развитие в работах других авторов. I цесс рассматривается как чередование фаз продольного сжатия и смещения элем по сформировавшейся поверхности сдвига. В работах Ю.Г. Кабалдина модель фо; рования суставчатой стружки как адиабатического сдвига элементов развивается с зиций термодинамического подхода к процессу резания и дислокационных преде лений о процессе деформации. В работах Н.В. Талантова зона стружкообразов: рассматривается как область с параллельными границами и вводится представлен ее повороте в направлении увеличения угла сдвига при формировании сустава ст{ ки. Данные представления нашли последующее развитие в работах A.A. Козлова и i

Проведенный анализ существующих моделей суставчатого стружкообразова в основу которых положены представления о формировании стружки в резуль сдвига, показал их расхождение с экспериментальными данными. Например, из мо; с неизменной плоскостью сдвига (М.И. Клушин, Р.Ф. Рехт и др.) вытекает, что су образуется в процессе смещения по плоскости (поверхности) сдвига, положение к рой относительно поверхности (плоскости) резания остается неизменным. След

ьно, сильнодеформированная (прямолинейная) поверхность зубца должна быть же наклонена к поверхности резания под углом сдвига. Но такое расположение зуб> наблюдается лишь в отдельной области режимов, когда текстурированная (сильно-¡юрмированная) область (полоса) в стружке сужается и практически вырождается в «по. Кроме того, возникают противоречия при попытке объяснения изменения фор-[ зубцов с повышением скорости резания. Использование представления об адиаба-¡еском разогреве зоны сдвига не объясняет, почему прекращается формирование :тава. а не продолжается вплоть до полного отделения от срезаемого слоя и образо--шя отдельных элементов. Из модели с поворачивающейся плоскостью сдвига .В. Талантов, A.A. Козлов) следует, что формирование сустава заканчивается при стижении углом сдвига значения 45°, но значение этого углз бывает и меньше и зна-тельно больше 45° (в случае перехода к элементной стружке). Также противоречит эй модели наблюдаемое постоянство направления текстуры в сильнодеформирован-й области стружки (не в ггрирезцовых слоях). Используемые в модели понятия уп-чнения и разупрочнения являются достаточно абстрактными, не раскрывая физиче-ой сущности протекающих процессов.

Таким образом, ни одна из существующих моделей не может считаться доста-чно адекватной экспериментальным данным. В настоящее время в связи с переходом эбработке с использованием высокоавтоматизированного оборудования и все более 1соких скоростей резания, а также в связи с появлением новых более труднообраба-[ваемых материалов назрела необходимость создания систем наблюдения и осознан-то управления процессом резания на режимах суставчатого стружкообразования. юзнанное управление процессом резания невозможно без понимания сущности про-кающих процессов. Для этого необходимо разработать модель формирования сус-вчатой стружки, адекватную накопленным экспериментальным данным по данному пу стружкообразования.

Вторая глава посвящена разработке физической модели суставчатого стружко-разования.

Представляется, что неудачи постигшие исследователей при создании модели сцесса суставчатого стружкообразования. являются следствием двух основных при-н: с одной стороны - сложность яаташя; с другой - принятие за основу традицион-й (сдвиговой) модели процесса резания.

Касаясь второй причины, следует отметить, что сдвиговая модель процесса реза-!я из прогрессивной для своего времени, по-видимому, превратилась из-за своей ог-ниченности в своего рода тормоз для дальнейшего развития науки о резании метал-в. Далее описываются базовые представления о процессе резания как процессе упру-плзспгческого деформирования, положенные в основу разработанной модели.

Бездислокационное представление о деформациях, в том числе и о пластических, ет концепция деформирования и разрушения материальных тел. Основная идея кон-пции заключается в том, что атомы, образующие тело, при деформировании тела пе-

ремещаются не в так называемой плоскости сдвига, а стараются заполнить промеж^ между атомами соседнего ряда, более раздвинутыми вследствие растяжения их свят Данное смещение происходит под действием момента сдвигающих сил и названо мс атомным замещением. Введение представления о межатомном трении, преодолев мом атомами при замещении, определяет характер процесса на стадии пластическс деформирования. Он представляется как сумма элементарных актов замещения, с вершаемых не одновременно по всему ряду, а поочередно по мере последовательно преодоления сил трения. Схема элементарного акта замещения приведена на рис Деформация становится пластической (необратимой) при завершении межатомно| замещения: простым снятием нагрузки ее устранить невозможно. Локальность пласт ческого деформирования определяет наличие области незавершенного межатом! ю замещения, то есть области упругой деформации. Деформации в этой области зато маживаются необратимыми деформированными рядами атомов, расположенными соседней области с завершенным замещением. При снятии нагрузки материал в у и области выглядит разрыхленным. В деформируемом теле возникают остаточные н пряжения. Таким образом, возникает так называемое упрочнение. В соответствии концепцией принципиально изменяется представление о деформации сдвига. В час ности, область интенсивного пластического деформирования при резании, восприн маемая наблюдателем как поверхность сдвига, яатяется областью деформации шгте сивного сжатия и перпендикулярной к ней деформации растяжения материала.

Исключение допущения о возможности пренебрежения моментом силы резаш приводит к иной модели резания. Процесс резания представляется как упругопластнч

Рис.1. Схема элементарного акта межатомного замещения при действии растягавающе напряжения 01 (в плоскости замещения): - угол замещения (сдвига); Д1 и ДЬ - продольная поперечная деформации; Да| - разница напряжений, растягивающих соседние ряды атомов; о. дополнительное (возможное) поперечное сжимающее напряжение; 1 и 2 - растягиваемая па атомов; 3 - замещающий атом; 2' и 3' - атомы после завершения замещения

г деформирование при внецентренном сжатии, то есть при сжатии материала сжи-зщей и изгибающей нагрузками. На рис.2 показана с целью иллюстрации особенно-1 нафужения и деформирования упрощенная схема распределения нагрузки в сече-I срезаемого слоя и в стружке, перпендикулярном режущей кромке. В соответствии эставленной целью, в зоне резания следует выделить следующие силовые воздейст-: а) в зоне 1 - равнодействующая Р1 сжимающих нагрузок (действующих в пределах ы) и ее момент М|, определяющие характер «собственного» нагружения зоны как щентренное сжатие; б) в зоне 2 - изгибающий момент М2 и «перерезывающая» сила в «заделке» балки-стружки (то есть на границе между зонами 1 и 2); в) в зоне 3 -:пределенная сжимающая нагрузка, характеризуемая двумя равнодействующими Р, пределах зоны 1) и Р3 (в пределах зоны 2, то есть контакта балки-стружки с передней зерхностью резца) и сила трения Р между резцом и стружкой. При детальном анали-напряженно-деформированного состояния в зоне резания схема должна быть допол-1а, в том числе взаимодействием зон, исходя из известных принципов силового рав-зесия и непрерывности материала. Показанная на рисунке линия ОЬ является грани-1 области пластического деформирования материала заготовки. Соответственно :ме нагружения при внецентренном сжатии эта граница проходит под некоторым ути к плоскости резания и определяет границу зоны сжатия (зона 1) в обрабатываемом

Рис.2. Схема нагружения срезаемого слоя и стружки: qкc - нагрузка в зоне 1 сжатия чаемого слоя; Ци - нагрузка в зоне 2 изгиба стружки; - нагрузка в зоне 3 прирезцо-1 контактной деформации; остальные обозначения в тексте

3

материале. Удаление («выдавливание») деформированного материала происходи, преодолением сил трения на поверхности контакта с резцом. Образующаяся при т. стружка приобретает форму консольной балки. На стружку, как на «балку», действу сжимающие силы (продольная и поперечная) и изгибающий момент, в ней возник напряженное состояние внецентренного сжатия. Направление сжимающих усилий ( ределяется передним углом резца (при отсутствии нароста). Область дсформирош> материала при переходе в стружку представляется как зона изгиба (зона 2). Ее внеин по отношению к деформируемому объему линия ОК определяет границу завершение пластического деформирования материала и, соответственно схеме напряженного I стояния, наклонена по отношению к плоскости резания. Деформирование матсриа при стружкообразовании существенно зависит от процессов в области контакта стру: ки с передней поверхностью резца (зона 3). Прирезцовые слои стружки, сжимаясь п. действием нормальных к этой поверхности контактных нагрузок, испытывают рас: жение в поперечном направлении, искажая форму прилегающего участка поперечно сечения стружки.

На рис.2 схематически показаны результирующие сжимающие нагрузки во вс< трех зонах. Напраатения вытягивания цепочек межатомного замещения - направлен: «волокнизации» материала (характеризующие текстуру) - перпендикулярны этим н грузкам. Сложение деформаций сжатия, возникших в зонах 1 И 2, определяет полож кие переходной области. Практически вследствие своей локальности область воспр нимается (и соответственно моделируется) как плоскость (поверхность) сдвига ОК, п ложение которой в традиционной сдвиговой модели определяется так называемым у лом сдвига. Являясь в действительности узкой областью пластической деформащ сжатия-растяжения она определяет начальную границу ОЫ удаляемой стружки.

Процесс формирования стружки как процесс упругопластического деформир вания представляется в виде динамической системы и характеризуется взаимодейств! ем своих основных составных частей: напряженного состояния, деформационного а стояния, теплового состояния, состояния свойств материала. Их взаимодействие опр деляется прямыми и обратными (динамическими) связями, то есть в этом смысле си тема является замкнутой, что, в конечном счете, делает систему самоорганизующенс Процесс деформирования является результатом совместного (синергетического) дейс вия частей системы. В свою очередь каждая из частей системы также является сложно замкнутой системой со своими внутренними связями.

Предлагаемая физическая модель суставчатого стружкообразования как форм, устойчивого состояния системы деформирования при резании включает в себя:

- условия потери устойчивости сливного стружкообразования или иначе - усл< вия перехода от сливной стружки к суставчатой;

- закономерности устойчивого формирования суставчатой стружки;

- условия потери устойчивости суставчатого стружкообразования и перехода элементному формированию стружки.

Указанные состояния характерны для системы деформирования материалов при шни как системы нелинейной. При изменении параметров системы происходит пе-од из одного состояния в другое. Сливное стружкообразование является равновес-а (в статическом смысле) состоянием, суставчатое - автоколебательным.

Равновесное состояние при сливном стружкообразовании определяется силовым новесием между упругой и пластической частями напряженного состояния общей ы деформирования материала. Нарушение этого равновесия в рассматриваемом ■чае происходит при изменении сопротивления пластическому деформированию гласно концепции деформирования - характеристики межатомного трения). Работа гшних сил по преодолению межатомного трения в процессе пластического дефор-рования практически вся переходит в тепло. Интенсивность тепловыделения и соот-ственно температура определяются скоростью деформирования, объемом области 1стического деформирования и величиной межатомного трения. В соответствии со ;мой стружкообразования в рассматриваемом случае условия максимальной интен-зности тепловыделения создаются в зоне локального сжатия при изгибе в процессе зехода деформированного материала из зоны 1 в зону 2, то есть при отгибе стружки, ибольшуго деформацию сжатия в этой области получают наружные слои материала, ;окальное изменение температуры достигает максимального значения именно в этом :те (точка М). При некоторой скорости резания (скорости нагружения) температура ггигает граничного значения, определяющего изменение величины сопротивления формированию (межатомного трения). Граничные значения температуры соответст-от области резкого возрастания градиента зависимости свойств материала (характе-¡ующих межатомного трения) от температуры, т.е. перегиба графика на рис.3. Это :тояние является исходным для возможного спонтанного развития (так называемой

Рис.3. Обобщенная зависимость предела прочности 0ц*от температуры 0*: - граничная температура

дивергенции) процесса локального разогрева и уменьшения сопротивления дефо. рованию в остальных, более удаленных от свободной поверхности слоях. Возможч такого развития и определяет условия устойчивости сливного стружкообразования

Уменьшение (равно как и увеличение) сопротивления пластическому дефо рованию вызывает нарушение равновесия между упругой и пластической частям! пряженного состояния зоны деформирования материала, определяющего устойчив сливного стружкообразования. При снижении сопротивления (характеристики ( атомного трения) возникает избыток силового воздействия со стороны упругой ч на пластическую часть. Соответственно резко уменьшается протяженность зоны 1 ( тия материала заготовки и соответственно протяженность области перехода матер! в зону 2. Уменьшение происходит путем смещения пластически деформированной ны 1 без изменения ее исходной формы. Этот процесс характеризуется интенсиф| цией деформирования - повышается скорость, изменяется объем пластической зс Что в свою очередь может привести к дальнейшему развитию процесса ослабления противления. Иначе говоря, рассматриваемое равновесное состояние системы мо потерять устойчивость. Удаление деформируемого объема, полученного за счет с щения исходной зоны 1 под действием сил упругости, связано с уменьшением тол! ны остающейся стружки и формированием сильно деформируемой стороны сустава

По аналогии с фрикционными релаксационными автоколебаниями, ускорен движение зоны 1 относительно зоны 2 можно представить как ускорение скольже тела под действием пружины привода.

В силу нелинейности системы деформирования, смещение границы зоны формирование сустава (зубца) стружки прекращается при восстаноатении силов равновесия упругой зоны и оставшегося объема пластически деформированной зо (В соответствии с концепцией деформирования упругое силовое воздействие зави от геометрической характеристики сечения, а пластическое - от объема пластичен деформированной области). Восстановление равновесия является следствием уме шения остаточного объема пластической зоны 1 и ростом «активного» сечения упру части этой зоны. Формируемая при этом стружка имеет некоторую постоянную т щину, соответствующую окончанию формирования зубца. Протяженность учас стружки постоянной толщины определяется временем, необходимым для начала в становления исходной формы зоны 1 и соответствующего увеличения толщины стр^ ки. Этот процесс выражается в появлении «выпучивания» материала срезаемого сл аналогично тому, как это происходит при формировании зоны 1 на начальном эт; врезания резца. Восстановление исходного состояния является следствием возраста! не только силы, сжимающей зону 1, но и момента, определяющего положение внеип границы этой зоны. Поэтому ее протяженность Ь, то есть положение точки Ь и, со ветственно, N (рис.2) определяется с учетом слоев стружки, не удаленных к этому в мени из прирезцовой части зоны.

По мере увеличения скорости резания граничная температура достигается г

ныием значении Ь, что означает уменьшение толщины стружки. При некоторой скости резания толщина стружки становится равной высоте зубца. Суставчатая стружка ряет сплошность и превращается в элементную.

Атомные цепочки межатомного замещения образуют характерные волокна той) материала, вытянутые вдоль деформации растяжения, направленной перпенди-лярно главным сжимающим напряжениям в зоне сжатия-изгиба отводимой стружки, эоцесс межатомного замещения, соответственно теплообразование, повышение тем-:ратуры происходит на начальном участке перехода от зоны 1 сжатия к зоне 2 изгиба радиционно - в области поверхности «сдвига»). Поэтому свойства материала на при-:гающей границе зоны 1 сжатия практически не меняются, что наряду с неизменно-ъю исходного, подлежащего дополнительному деформированию «пластифинирован-1го тела» зоны 1, определяет неизменность положения границы (то есть «плоскости шига») на этапе формирования сустава стружки. Эта граница смешается, оставаясь 1раллельной исходному положению, по мере движения зоны 1. На рис.4 показаны по-1едовательные этапы формирования сустава в процессе удлинения цепочек замеше-ш и изменение положения границы между зонами 1 и 2 в процессе стружкообразова-1Я. При формировании суставчатой стружки происходит изменение см резания. Это лзывает изменение деформирования упругой системы станок-инструмент-заготовка, озникающие относительные колебания резца и заготовки (поскольку суставчатое ружкообразование имеет высокую частоту) определяются, как правило, высокочас-(тными формами колебаниями упругой системы. Эти колебания снижают стойкость ктрумента, особенно при их большой интенсивности. Анализ условий интенсифика-«I колебаний требует рассмотрения полной динамической системы станка как техно-)П1ческой системы. Необходимо учитывать обратные связи, т.е. изменение парамет->в резания вследствие колебаний резца. Такая связь может выражаться изменением

Рис.4. Этапы формирования сустава: а!,,^ и а^ - максимальное и минимальное значе-!е толщины струлоси; Изб - постоянная высота зубца; кружком обозначена зона интенсивного жатомного замещения - теплообразования и пластификации материала

Кзв=СОП31

а1ша.\

толщины срезаемого слоя, скорости перемещения стружки по резцу, скорости резл! и т.п. Поскольку эти связи могут оказаться существенными в том или ином конкрсп случае, то взаимодействие упругой системы и процесса формирования суставов мо> носить двоякий характер. Наиболее неблагоприятным является случай, когда основн роль начинают играть колебания упругой системы. При этом на определенной ско[ сти резания возможен своеобразный «резонанс» - совпадение «собственной» часто формирования суставов (частоты стружкообразования) и собственной частоты коле! ний упругой системы. Эти колебания являются результатом взаимодействия автоко: бательной системы, каковой является процесс суставчатого стружкообразования, с п: сивной колебательной упругой системой станок-инструмент-заготовка.

В третьей главе выполнено исследование адекватности условий суставчато стружкообразования температурному критерию стойкости по А.Д. Макарову.

Анализ результатов исследований по суставчатому стружкообразованию прив к гипотезе о взаимосвязи перехода сливной стружки к суставчатой при достижении процессе резания некоторой критической температуры, что вызывает аналогию с о тимальной температурой резания по А.Д. Макарову. При обработке на режимах, сос ветствующим оптимальной температуре резания, наблюдается миниматьный относ тельный износ инструмента, а характеристики процесса имеют критические значен] или стабилизируются. Дм проверки гипотезы были проведены две серии экспериме тов. В ходе первого эксперимента осуществлялось продольное точение при параметр: обработки, соответствующе оптимальной температуре: обрабатываемый материал сталь 45; материал режущей части - Т15К6; геометрия резца: -(=10°, а=10°, ф=ф1=45 р=0,01 мм, г=1 мм; режимы обработки: 5=0,2 мм/об, 1=2 мм, \-=320 м/мин. В результа обработки на поверхности наблюдались хорошо различимые следы вибрации с част той 8,9 кГц. Изучение микрошлифа продольного сечения получившейся стружки I позволило характеризовать ее как суставчатую. На ней не наблюдалось зон локализ ции деформаций, наличие которых характерно для суставчатой стружки. Наружная го верхность была не пилообразная, а волнообразная. Другими словами получилась ели: ная стружка переменной толщины. Причиной возникших при резании вибраций П( служила не потеря устойчивости процесса стружкообразования, а автоколебания си темы с собственной частотой резца.

Второй эксперимент заключался в обработке при изменении условий резани соответствующих переходу от сливного к суставчатому стружкообразованию. В хо; эксперимента осуществлялось продольное точение заготовки из стали 12ХНЗА в с< стоянии поставки резцом с напайными пластинками Т15К6. Геометрия инструмент; 7=40°, а=10°, ф=ф,=45°, к~0°, г=0,5 мм. Режимы резания: 1=1 мм; 5=0,1; 0,2; 0,3 мм/о( у=95...460 м/мин. При этом строились зависимости главной составляющей силы рез; ния Рг и температуры резания 0 от скорости резания. Были отобраны образцы обр; зующейся стружки, при всех режимах резания. Визуально определялся тип стружки, измерялась её толщина (для суставчатой стружки - усредненная). Обработка результ;

показана, что значение главной составляющей силы резания Р2 (ее среднее значе-) стабилизируется при более высоких скоростях, чем скорости изменения типа гжки. Следовательно, скорость (температура), при которой сливная стружка пере-нт в суставчатую, несколько ниже оптимальной. Интересные зависимости получе-при обработке результатов измерения получившихся стружек. Анализируя зависи-ти коэффициента усадки стружки (по толщине) от скорости резания при различных ачах (рис.5), можно заметать, что вне зависимости от величины подачи, при скоро, соответствующей изменению типа стружки, наблюдается одинаковый коэффнци-усадки стружки (при неизменной паре обрабатываемого и режущего материалов и четрии резца). Таким образом, переход от сливного к суставчатому стружкообразо-ию происходит при условии достижения так называемой плоскостью сдвига вполне «деленного положения.

Установленное соответствие условий перехода сливной стружки к суставчатой имальной температуре резания по А.Д. Макарову можно оценить как качественное. :дует отметить, что гипотеза заслуживает дальнейшего исследования, поскольку :т изменения характера и интенсивности износа контактных поверхностей ннстру-1та с изменением характера стружкообразования является общепризнанным.

В четвертой главе проведен анализ адекватности предложенной модели сустав-эго стружкообразования экспериментальным данным. Оценка адекватности пронзится сопоставлением (на качественном уровне) закономерностей процесса при из-ении параметров системы и при внешних воздействиях, а также условий ее устой-ости. Для оценки используются данные собственных экспериментов и, в основном, бликованные многочисленные экспериментальные данные других исследователей, м числе в виде микрошлифов корней стружек, полученных в различных условиях.

к

3.3

2.7

2.4

2.1 1.8

50 100. 150 200 250 300 350 400 V, м/мин

Рис.5. Зависимость усадки стружки к от скорости резания V (штриховая линия - начало зования суставчатой стружки):

а - 3=0,1 мм/об; о - з=0Д мм/об; • - 5=0,3 мм/об

1. С увеличением скорости резания (скорости нагружения), при прочих раш условиях, увеличивается скорость деформирования, следовательно, увеличивается тенсивность тепловыделения и, соответственно, температура на границе 1 и 2 зон. I достижении определенной скорости резания, при которой достигается значение г ничной температуры, происходит переход от сливного к суставчатому стружкообра ванию. В соответствии с моделью эта температура определяется по зависимое! свойств обрабатываемого материала от температуры. Естественно, что не существ; четкой границы, а данный процесс наблюдается в некотором диапазоне скоростей | зания.

2. Из модели становится очевидным атияние толщины срезаемого слоя, твер; сти обрабатываемого материала и величины переднего угла на процесс формирован1 суставчатой стружки. Известно, что чем больше толщина срезаемого слоя и твердое обрабатываемого материала и чем меньше передний угол, тем при меньших скорост резания происходит переход к суставчатому стружкообразованию. Чем больше толш на срезаемого слоя и чем меньше передний угол, тем больше обьем области пласти1-ского деформирования (количество элементарных актов межатомного замещения единицу времени). Твердость материала коррелируется с величиной межатомного тр ния. поскольку является характеристикой материала, определяющей сопротивлен пластическому деформированию. Таим образом, при увеличении толщины срезаемо слоя и твердости обрабатываемого материала и при уменьшении переднего угла увел чивается интенсивность тепловыделения и при меньшей скорости резания достигает значение граничной температуры.

3. Практика и эксперименты показывают, что при увеличении скорости резан; величина суставов уменьшается, а высота зубцов остается практически неизмешк (рис.6). Как следует из предложенной модели, формирование сустава, а в частности зубца, определяется соотношением характеристик упругой и пластической частей о ласти деформирования. Высота зубца зависит от различия усилий в упругой и пласт ческой зонах, возникающего вследствие локального «саморазогрева». Поскольку изм нение скорости резания (для рассматриваемых величин, при которых инерционность

Рис.6. Микрошлифы корней стружек при у=80 м/мин (а) и 300 м/мин (б)

есса деформирования можно пренебречь) не влияет на характеристики процесса,

увеличением скорости резания высота зубцов остается неизменной. Толщина жки уменьшается при увеличении скорости резания вследствие того, что в соот-гвии с моделью для достижения значения граничной температуры требуется эший объем области пластического деформирования.

4. Подобным образом модель объясняет влияние толщины срезаемого слоя на шину зубцов. Чем больше толщина срезаемого слоя, тем больше различие усилий в /гой и пластической зонах, и тем больше высота зубцов при прочих равных усло-с.

5. С позиций предложенной модели становится ясным, почему в опытах с при-ением СОЖ установлено, что оно несущественно влияет на появление суставчатой,., гжки, а в опытах с электроконтактным подогревом вообще не обнаружено какое-о влияние. В случае применения СОЖ ее охлаждающие свойства играют двоякую, тиворечивую роль. В результате охлажден!« зоны 1 увеличивается характеристика гатомного трения в наружных слоях, что вызывает увеличение теплообразования в цессе пластического деформирования. С другой стороны, возможно увеличение те-отдачн, что препятствует повышению температуры. В случае электроконтактного зева зоны стружкообразования добавочное тепло выделяется в области прирезцо-

деформаций (зона 3) и не оказывает влияния на процессы, определяющие форми-ание суставчатой стружки.

6. При интенсификации процесса суставчатого стружкообразования, что сопро-дается увелтением температуры и локальности зоны интенсивных деформаций, актерная текстурированная зона стружки (между суставами) постепенно утоняется ырождается в нетекстурированную тонкую полоску толщиной, измеряемой не-гтькими микронами (рис.7). Своеобразная "изогнутая" форма этой зоны в соответст-с моделью определяется влиянием зоны 3.

7. Наблюдаемое постоянство усадки стружки (при y=const) независимо от подачи переходе к суставчатому стружкообразованию объясняется с позиций модели сле-

>щим образом. Одинаковая усадка при увеличении подачи (толщины срезаемого я) ¡!2(?лтодпется при меньших скоростях резания. Как отмечалось температура, уста-

Рнс.7. Микрошлиф продольного сечения стружки (а) и выделенная область (б)

навливающаяся в процессе пластического деформирования, зависит от скорости, формирования, объема области пластического деформирования (межатомного заме ния) и сопротивления деформированию (характеризующегося величиной межатом! трения). Поэтому увеличение, как толщины срезаемого слоя, так VI скорости реза вызывает увеличение температуры. Это означает также, что увеличение одного п; метра компенсируется уменьшением другого. Таким образом, чем больше толщ срезаемого слоя, тем при меньших скоростях резания достигается установленная , данного материала граничная температура.

Изложенные результаты качественного сравнения закономерностей, наблюл мых экспериментально и вытекающих из разработанной модели, дает право конста ровать, что предложенная модель суставчатого стружкообразования, в отличие от шествующих моделей, является непротиворечивой и адекватной имеющимся экспе ментальным данным. Анализ показал соответствие условий устойчивости стружко разования и закономерностей поведения системы при изменении ее параметров и г различных внешних воздействиях. Модель позволяет объяснить наблюдаемые особ ности указанного процесса и при необходимости предугадывать новые, пока не вст чавшиеся эффекты.

В пятой главе приведены рекомендации по созданию систем мониторинг; управления процессом резания на режимах суставчатого стружкообразования.

В условиях современного производстве всё более широкое применение получ; автоматизированный мониторинг и управление процессом обработки резанием (р личного уровня автоматизации) с целью обеспечения выполнения заданных требо ний технологического процесса. Эти требования саязаны с повышением точности I работки и качества поверхностного слоя обработанной детали, удобством удаления I разующейся стружки при высокой производительности. Очевидно, что при изменен характера стружкообразования изменяются и остальные выходные параметры сис мы. Элементность стружки приводит с одной стороны к ухудшению качества пове] ностного слоя и обработанной поверхности, увеличению интенсивности износа ин румента, а с другой - улучшает условия стружкодробления. При высоких требования: качеству поверхностного слоя или при необходимости снижения расхода инструм< тального материала обработку следует вести с получением сливной стружки. В уело: ях автоматизированного производства, где существенным является вопрос удален стружки из зоны резания, желательным становится получение элементной стружки.

Предложенная модель может служить основой для создания систем мониторш п управления процессом деформирования при резании с целью получения задание типа стружки, отвечающего требованиям к технологическому процессу в каждом кс кретном случае. В частности, она может быть использована для описания процесса ] зания зависимостями, с целью уменьшения объема банка необходимых экспернм< тальных данных, а также для определения наиболее информативных параметров г наблюдении за ходом процесса.

В соответствии с моделью наблюдение за процессом резания для определения иенения характера стружкообразования целесообразно вести по двум направлениям, рвое - определение реакции параметров упругой системы, второе - отслеживание иперэтурного состояния зоны стружкообразования. Осуществление первого направ-ния возможно по характеру возникающих колебаний, измеренных с помощью при-нения виброакустических датчиков, например, на основе пьезокерамики. Они долж-I обеспечивать измерения в диапазоне частот суставчатого стружкообразования. Дат-1ки должны быть расположены как можно ближе к зоне стружкообразования. Опти-пьным является отслеживание колебаний режущей пластинки.

Второе направление заключается в измерении температуры в зоне стружкообра->вания. Все существующие в настоящее время способы измерения температуры явля-тся интегральными, поскольку измеряют некоторую осредненную температуру в той ш иной области. Они позволяют дать только оценку возможной температуры в тре-/емой зоне (например, в так называемой плоскости сдвига). Наиболее распространен-лм является метод естественной термопары. Он позволяет определить температуру :зания - осредненную температуру на контактных поверхностях резца. Для определе-;1я температуры наружной поверхности зоны стружкообразования, более информа-шной при суставчатом стружкообразовании, может быть использован пирометриче-сий метод путем применения тепловизора.

В соответствии с моделью реализацию управления процессом резания в условиях /ставчатого стружкообразования целесообразно осуществлять по двум основным на-заатениям: воздействием на свойства обрабатываемого материала и воздействием на :ловия деформации. Различают два типа воздействия на свойства обрабатываемого атериала: механическое и тепловое. Механическое воздействие может быть осуществив как непрерывное, так и период1гческое.

Непрерывное механическое воздействие на свойства обрабатываемого материала пользуется при резании с опережающим пластическим деформированием (ОПД). В ютзетствии с моделью при этом уменьшается объем зоны пластической деформации, аблюдается снижение силы и температуры резания, что, в свою очередь, повышает гойкость инструмента и эффективность операции, особенно, при обработке заготовок 5 вязких, коррозионностойких и жаропрочных материалов.

Периодическое механическое воздействие на свойства обрабатываемого мате-лала достигается наложением воздействия ультразвуковых колебаний на наружную эверхность срезаемого слоя в зоне стружкообразования. Наблюдаемое изменение ха-актера стружкообразования с позиций предложенной модели объясняется увеличении пластичности материала в связи с уменьшением межатомного трения в зоне дефор-ирования. А это уменьшение является следствием увеличения интенсивности колеба-ий, в том числе на атомном уровне, структурных составляющих материала (кристал-итов, зерен и т.п.).

Существует большое количество способов теплового воздействия (как нагрева,

так и охлаждения) на свойства обрабатываемого материала. Охлаждение (в части применением СОЖ) на изменение характера суставчатого стружкообразования в; несущественно в силу локальности зоны теплообразования, влияющего на форми ние суставов. Наиболее перспективными способами теплового воздействия нагр являются плазменно-механическая обработка (ПМО) и лазерно-механическая обр; ки (ЛМО). В случае их применения изменяется вид стружки, стойкость резца увел вается, а сила резания и высота микроненровности уменьшается. Из предложенно! дели следует, что применение предварительного нагрева для устранения суставчат| и получения сливной стружки будет эффективным в случае, если температура мате ла в зоне 1 превышает граничную. При этом устраняется различие механичс< свойств материала в зонах 1 и 2, возникающие вследствие «саморазогрева» в прои деформирования. Этим же объясняется установленная эффективность способов П\ ЛМО.

Вторая группа способов управления процессом резания содержит методы действия на условия деформирования материала. К этой группе относятся следую способы: изменение режимов резания (скорости резания, подачи); изменение гео рни режущего инструмента (переднего утла, главного угла в плане, радиуса при шине); наложение ультразвуковых колебаний на инструмент.

Влияние скорости резания, подачи и величины переднего угла на процесс тавчатого стружкообразования определяется их ролью в процессе деформировани зависимости от соотношения используемых скорости и подачи их граничным знач! ям, определяющим область устойчивого суставчатого стружкообразования, возмо переход к формированию сливной или элементной стружке. Уменьшением перед: угла (увеличением угла резания) достигается смещение границ указанной области тойчивости в сторону уменьшения скорости и подачи. Влияние главного утла в пла радиуса при вершине проявляется через соответствующее изменение толщины сре мо го слоя.

При наложении ультразвуковых колебаний на инструмент область суставча" стружкообразования смещается в сторону увеличения граничных значений скорс резания. Расширяется область формирования сливной стружки и соответственно вышается стойкость инструмента. Влияние ультразвуковых колебаний на характер формирования с позиций предложенной модели освещено выше. Однако при опр ленной интенсивности их влияние в силу связанности колебаний упругой систем процесса резания, как единой динамической системы, возможно появление других фектов. Их оценка, как указано выше, выходит за рамки данной работы и требует с; стоятельного исследования.

Таким образом, предложенная модель суставчатого стружкообразования мо быть использована как основа осознанного управления процессом резания с це достижения требуемых характеристик в зависимости от конкретных условий те.хж гического процесса.

Заключение

1. Анализ ранее выполненных исследований показал возросший интерес к про-е формирования при резании стружки суставчатой формы, что связано с ростом 1енения труднообрабатываемых материалов и использовании высоких скоростей им. Накоплен значительный практический опыт и экспериментальные данные по енностям резания в указанных условиях, характеризуемых образованием суставча-пружки.

2. Предложенные к настоящему времени модели процесса суставчатого стружко-зования не являются полностью адекватными имеющимся экспериментальным [:ым. Все эти модели основаны на традиционном представлении о деформации при нии, как процессе сдвига материала. Суставчатая стружка возникает при достиже-некоторого значения температуры в зоне стружкообразования.

3. Предложена принципиально новая физическая модель суставчатого стружко-вования, основанная на представлении процесса резания как системы, описываю-упругопластическое деформирование при внецентренном сжатии, и на концепции эрмировання, как процессе межатомного замещения, предложенных . Куликовым. Модель описывает процесс образования суставчатой стружки как I из случаев потери устойчивости процесса формирования сливной стружки в ре-тате нарушения равновесного взаимодействия элементов системы: напряженного ояния, деформаций, свойств материала и теплообразования. При потере устойчи-и происходит переход к новому устойчивому состоянию системы, как нелинейной гоколебательному циклу.

4. Выполнен анализ адекватности предложенной модели имеющимся экспери-гальным данным, частично полученным автором и, в основном, опубликованным их исследователей. Анализ показал соответствие условий устойчивости стружко-□ования и закономерностей поведения системы при изменении ее параметров и различных внешних воздействиях.

5. Предложена и проверена гипотеза о соответствии условий перехода от сливно-сустаэтатому струл'кообрззованию известному температурному критерию стойко-по А.Д. Макарову. Экспериментально установлена возможность такого соответст-Для получения более достоверного заключения по этой гипотезе требуется поста-га специального исследования, что не входило в задачу данной работы.

6. На основании результатов анализа предложенной модели и имеющихся экспе-:нтальных данных разработаны рекомендации по созданию систем мониторинга и :вления процессом резания на режимах суставчатого стружкообразования. Реко-12ШШ переданы в ЭНИМС и ВятГТУ для включения в планы перспективных ис-ований, с целью реализации их применения к конкретным технологическим про-ам обработки резанием. Рекомендации переданы также предприятиям, в первую едь занятых обработкой труднообрабатываемых материалов, а также ВятГТУ для 1Льзован:1я в учебном процессе.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Виноградов Д.О., Кудинов В .А. Повышение качества обработанной пош сти воздействием на условия суставчатого стружкообразования // 3-я междуиар научно-техническая конференция «Проблемы повышения качества промышл продукции»: Сб. материалов.-Брянск, 1998.-С. 87-88.

2. Виноградов Д.О. О суставчатом стружкообразовании при высоких скор резания // Региональная научно-техническая конференция «Наука-производствс нология-экология»: Сб. материалов-Киров, 1998.-t.1-C. 35-36.

3. Виноградов Д.О. Особенности обработки резанием при суставчатом стр; образовании // Региональная научно-техническая конференция «Наука-производ технология-экология»: Сб. материалов.-Киров, 1999.-т.1,-С. 77.

4. Виноградов Д.О. Влияние суставчатого стружкообразования на качество i ботанной поверхности // Современные технологии в машиностроении: Сборник риалов научно-практической конференции.-Пенза, 1999.-С. 121-122.

5. Виноградов Д.О. Определение положения зоны стружкообразования // ( ник региональной научно-технической конференции «Наука-производство-тех1 гия-экология»,-Киров, 2000.-T.2.-.C. 151-152.

6. Кудинов В.А., Виноградов Д.О. О закономерностях суставчатого стружко< зования // СТИН (в печати).

Введение.

Глава 1. Обзор публикаций по проблеме и постановка задачи.

1.1. Обработка резанием жаропрочных материалов.

1.2. Обработка материалов с высокой твердостью.

1.3. Существующие модели процесса суставчатого стружкообразования.

Глава 2. Разработка физической модели суставчатого стружкообразования.

2.1. Базовые представления о процессе деформирования.

2.2. Базовая модель резания.

2.3. Физическая модель суставчатого стружкообразования.

2.4. Выводы.

Глава 3. Исследование адекватности условий суставчатого стружкообразования температурному критерию стойкости по А.Д. Макарову.

3.1. Сопоставление существующих данных.

3.2. Эксперимент 1: Обработка при оптимальной температуре резания.

3.3. Эксперимент 2: Обработка в диапазоне изменений условий резания.

3.4. Выводы.

Глава 4. Анализ адекватности модели суставчатого стружкообразования экспериментальным данным.

В современном производстве всё более актуальным становится автоматизированный мониторинг (контроль, наблюдение) и управление процессом обработки резанием с целью обеспечения выполнения заданных требований технологического процесса. Эти требования связаны с повышением точности обработки и качества поверхностного слоя обработанной детали, удобством удаления образующейся стружки при высокой производительности. Современные инструментальные материалы позволяют при достаточной стойкости инструмента обеспечивать выполнение этих требований при высоких скоростях резания. Естественно, что абсолютные значения скоростей при этом существенно различаются для разных материалов - они значительно меньше для труднообрабатываемых материалов.

В процессе лезвийной обработки с увеличением скорости резания, наряду с остальными параметрами, изменяется характер стружкообразования. При достижении некоторой скорости резания сливная стружка приобретает четко выраженное элементное строение. Значение этой скорости зависит от совокупности всех исходных параметров процесса резания .

Образующаяся при этом стружка имеет пилообразную форму. (Поскольку на данный момент не существует общепринятого устоявшегося названия, в дальнейшем будем называть ее суставчатой.) Данная стружка разительно отличается от элементной стружки, которая наблюдается при низких скоростях резания, предшествующих сливному стружкообразованию. Суставы стружки, образующейся при некоторой скорости, соответствующей преобразованию сливной стружки, значительно мельче, имеют сравнительно одинаковую форму и размеры и прочно связаны друг с другом сильно деформированным слоем между суставами и тонким слоем вдоль контактной поверхности стружки. Внутри сустава материал деформирован сравнительно слабо. Толщина слоя между суставами при увеличении скорости резания уменьшается, и связь между ними исчезает. Стружка при этом теряет сплошность и сходит в виде отдельных фрагментов - образуется элементная стружка.

Очевидно, что при изменении характера стружкообразо-вания изменяются и остальные выходные параметры системы. Элементность стружки приводит с одной стороны к ухудшению качества поверхностного слоя и обработанной поверхности, увеличению интенсивности износа инструмента, а с другой -улучшает условия стружкодробления.

Возникает актуальная проблема управления процессам резания с целью получения заданного типа стружки в зависимости от требований технологического процесса. При высоких требованиях к качеству поверхностного слоя или при необходимости снижения расхода инструментального материала обработку следует вести с получением сливной стружки. В условиях автоматизированного производства, где существенным является вопрос удаления стружки из зоны резания, желательным становится получение элементной стружки.

Исторически первоначально суставчатое стружкообразо-вание было обнаружено при обработке титановых сплавов, поскольку оно проявляется уже при скоростях резания несколько метров в минуту. При обработке нержавеющих и жаропрочных сплавов суставчатая стружка образуется при скорости несколько десятков метров в минуту. Таким образом, вопрос суставчатого стружкообразования наиболее актуален при резании труднообрабатываемых материалов, поскольку б проявляется на режимах обработки практически применяемых в промышленности.

Это явление наблюдается и в ряде других прогрессивных процессов, например, при лезвийной обработке материалов, прошедших полный цикл термической обработки и имеющих высокую твердость. Известно, что это позволяет исключить операции абразивной обработки. Обработка углеродистых и легированных сталей производится при высоких скоростях резания, соответствующих суставчатому стружкообра-зованию. Это стало возможным в связи с появлением новых инструментальных материалов и обеспечивает значительное повышение производительности обработки.

Все вышесказанное показывает, что проблема управления процессом обработки при суставчатом стружкообразова-нии назрела и требует своего решения. Об этом же свидетельствует возросшее в последнее время внимание исследователей к этой проблеме.

Как показывает анализ, в настоящее время не создано достаточно обоснованной модели процесса суставчатого стружкообразования, которая могла бы позволить осознанно строить системы мониторинга и управления процессом обработки резанием в этих условиях.

Конечной целью данной работы является повышение качества обрабатываемых деталей при высокой производительности за счет осознанного управления деформированием материала при резании, обеспечивающего получение заданного типа стружки в специфичной области суставчатого стружкообразования, характерной, в том числе, для скоростного резания.

Для достижения поставленной цели необходимо, прежде всего, выяснить природу процесса и разработать модель образования суставчатой стружки.

В работе использованы современные теоретические и экспериментальные методы исследования процесса стружкооб-разования. Теоретические исследования осуществлялись на основе разработанной в последние годы модели процесса резания [12], а также достижений в области теории упругости и пластичности, в частности, бездислокационной концепции деформирования и разрушения материальных тел [13, 14]. Экспериментальные исследования проводились при обработке резанием заготовок на токарно-винторезном станке. Получающаяся стружка подвергалась микроскопическим исследованиям. Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием компьютерной техники. Широко использованы накопленные к настоящему времени опубликованные данные опыта и экспериментальных исследований.

Основная научная новизна работы состоит в том, что разработана принципиально новая модель образования суставчатой стружки, адекватная экспериментальным данным и отличающаяся от существующих использованием представлений о процессе резания, как упругопластическом внецентренном сжатии. При этом процесс резания рассматривается как система деформирования, образованная элементами, связанными между собой прямыми и обратными связями.

Предложены практические рекомендации по созданию систем мониторинга и управления процессом резания с целью получения типа стружки, отвечающего требованиям, предъявляемым к технологическому процессу в каждом конкретном случае.

Результаты работы в виде указанных практических рекомендаций, в том числе конкретные способы, переданы для промышленного использования на предприятия, связанные прежде всего с обработкой резанием труднообрабатываемых материалов, а также используются в учебном процессе обучения студентов специальности 12 01 по дисциплине «Процессы формообразования и инструмент» в ВятГТУ. Разработка систем мониторинга и управления процессом резания как перспективное направление развития современных технологий и оборудования, учитывающих применение новых обрабатываемых материалов и режимов обработки, как развитие данного исследования для конкретных условий обработки представляет самостоятельную задачу. Соответствующие предложения по включению этих разработок в перспективные планы научно-исследовательских работ переданы в ЭНИМС и ВятГТУ.

Основные положения диссертации докладывались на ежеквартальных семинарах аспирантов ОАО «ЭНИМС» (Москва, 1998-2000), на региональных научно-технических конференциях «Наука-производство-технология-экология» (Киров, 1998-2000), на научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 1999) и на 3-й международной научно-технической конференции «Проблемы повышения качества промышленной продукции» (Брянск, 1998). По теме диссертации опубликовано б печатных работ.

Пользуясь случаем, выражаю искреннюю признательность и огромную благодарность научному руководителю В.А. Кудинову, за неоценимое влияние на формирование научного мировоззрения автора и живое участие в работе, а также А.И. Седельникову, за предоставленные результаты исследований по суставчатому стружкообразованию, и всем, кто оказывал помощь и поддержку в проведении данной диссертационной работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ ранее выполненных исследований показал, что имеющиеся модели процесса суставчатого стружкообразования не являются полностью адекватными накопленным к настоящему времени экспериментальным данным. Последняя из этих моделей объясняет появление суставов стружки сдвигом адиабатически разогретого в процессе деформирования металла в области так называемой плоскости сдвига. Остается неясным происхождение периодичности процесса и своеобразие формы стружки и ее изменения при варьировании условий резания. Суставчатая стружка по существу является стружкой переменной толщины, поэтому, в соответствии с традиционной сдвиговой моделью, она должна формироваться при заметном изменении угла сдвига, что не подтверждается характером текстуры материала стружки.

2. Предложенная оригинальная модель суставчатого стружкообразования основана на общей динамической модели процесса резания, предложенной В. А. Кудиновым. Процесс резания, как один из видов упругопластического деформирования материалов, представляется напряженно-деформированным состоянием внецентренного сжатия, то есть сжатия и изгиба. Наблюдаемые при резании закономерности являются выражением процессов во взаимосвязанной системе элементов (напряжение, деформирование, свойства материала) с прямыми и обратными связями. Такая система с позиций термодинамики является самоорганизующейся и открытой. При построении модели использована также новая бездислокационная концепция деформирования и разрушения материалов, предложенная в последние годы В.А. Кудиновым. В соответствии с этой концепцией поверхность, воспринимаемая как поверхность сдвига, является границей растянутой цепи атомов, между которыми внедрены атомы соседних рядов. Таким образом, принимаемая в сдвиговой модели стружкообра-зования область сдвига является локальной зоной интенсивного сжатия - растяжения материала.

3. Предложенная модель суставчатого стружкообразова-ния, как конкретный вид замкнутой динамической системы деформирования, включает взаимодействие трех областей деформирования: сжатия срезаемого слоя, изгиба стружки, прирезцовой контактной деформации. Локальная деформация сжатия-растяжения в зоне изгиба, сопровождаемая интенсивным тепловыделением и повышением температуры, вызывает изменение свойств материала. Это немедленно проявляется изменении напряженного состояния как нарушение равновесия силовых параметров упругой и пластической зон. В зоне сжатия срезаемого слоя возникает интенсивное смещение границы области пластического деформирования, сохраняющей исходную форму, вызванное возникшим избыточным упругим воздействием. Уменьшается толщина стружки и формируется зубец, как часть сустава. Происходящее в процессе указанного смещения изменение напряженного состояния восстанавливает силовое равновесие между упругой и уменьшившейся пластической областями. Формируется стружка уменьшенной толщины. Изменение напряженного состояния сопровождается восстановлением начальной величины зоны сжатия срезаемого слоя, сопровождающегося выпучиванием материала как начала нового формирования стружки.

4 . Выполненный анализ адекватности предложенной модели экспериментальным данным показал соответствие условий устойчивости стружкообразования и закономерностей поведения системы при изменении ее параметров и при различных внешних воздействиях. Модель позволяет объяснить наблюдаемые особенности процесса суставчатого стружкообразования и при необходимости предугадывать новые, пока не встречавшиеся эффекты.

5. Экспериментально установлена возможность соответствия условий перехода от сливного к суставчатому струж-кообразованию известному температурному критерию стойкости по А.Д. Макарову. Для получения более достоверного заключения требуется постановка специального исследования, что не входило в задачу данной работы.

6. На основании результатов анализ предложенной модели и имеющихся экспериментальных данных разработаны рекомендации по созданию систем мониторинга и управления процессом резания на режимах суставчатого стружкообразования. Разработка таких систем с целью получения заданного типа стружки, отвечающего требованиям к технологическому процессу в каждом конкретном случае, как перспективное направление развития современных технологий и оборудования, представляет самостоятельную задачу. Модель также может быть использована для описания процесса резания зависимостями, с целью уменьшения объема банка необходимых экспериментальных данных.

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

2. Бобров В.Ф. Особенности образования суставчатой и элементной стружки при высокой скорости резания / В.Ф. Бобров, А.И. Седельников // Вестник машиностроения.-1976.- № 7.- С. 61-66.

3. Железнов Г.С. Оценка степени и скорости деформации суставчатой стружки / Г. С. Железнов, С. А. Сингеев // Известия вузов. Машиностроение.- 1989.- № 3.- С. 118-121.

4. Зорев H.H. Вопросы механики процесса резания металлов.- М.: Машгиз, 1956.- 368 с.

5. Кабалдин Ю.Г. Резание металлов в условиях адиабатического сдвига элемента стружки // Вестник машиностроения.- 1995.- № 7.- С. 19-25.

6. Кабалдин Ю.Г. К вопросу об адиабатическом сдвиге элемента стружки при резании // Вестник машиностроения.-1998.- № 6.- С. 29-35.

7. Кабалдин Ю.Г. Самоорганизующиеся процессы в технологических системах обработки резанием. Диагностика, управление / Ю.Г. Кабалдин, A.M. Шпилев.- Владивосток: Дальнаука, 1998.- 296 с.

8. Клушин М.И. Резание металлов.- 2-е изд., перераб.- М.: Машгиз, 195 8.- 456 с.

9. Козлов A.A. Интенсификация процессов резания на основе анализа эффектов неизотермической неустойчивости упругопластической деформации в зоне стружкообразования и контактных явлений: Дис. докт. техн. наук: 05.03.01.-Волгоград, 1997.- 215 с.

10. Кудинов В.А. Динамика станков.- М.: Машиностроение , 1967.- 360 с.

11. Кудинов В.А. Схема стружкообразования (динамическая модель процесса резания) // Станки и инструмент.-1992.- № 10.- С. 14-17; № 11.- С. 26-29.

12. Кудинов В.А. Межатомное замещение основа концепции деформирования и разрушения материальных тел // Сб. Тезисы докладов V-ой МНТК по динамике технологических систем.- Ростов на Дону: Изд. ДГТУ, 1997.- т.2.- С. 3-5.

13. Кудинов В.А. Бездислокационная характеристика понятий прочности и износостойкости // Научно-исследовательские работы в области станкостроения: Сб. науч. трудов ЭНИМС / Под ред. Б. И. Черпакова. М.: Изд. ЭНИМС, 2000.- С. 12-22.

14. Кумабэ К. Вибрационное резание / Пер. с яп. C.JI. Масленникова; Под ред. И.И. Портнова, В.В. Белова.- М.: Машиностроение, 1985.- 424 с.

15. Латыпов P.P. Особенности лазерно-механического резания труднообрабатываемых материалов / P.P. Латыпов, Н.Г. Терегулов // Современные технологии в машиностроении: Сборник материалов научно-практической конференции.-Пенза, 1999.- С. 56-58.

16. Лоладзе Т.Н. Стружкообразование при резании металлов.- М.: Машгиз, 1952.- 200 с.

17. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания.- М.: Машиностроение, 1976.- 280 с.

18. Макаров В.Н. Термомеханика высокоскоростной лезвийной обработки / В.Н. Макаров, C.JI. Проскуряков // Вестник машиностроения.- 1993.- № 5-6.- С. 28-29.

19. Марков А.И. Ультразвуковая обработка материалов.- М.: Машиностроение, 1980.- 240 с.

20. Марков А.И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов.- М.: Машиностроение, 19 68.- 3 68 с.

21. Обрабатываемость резанием жаропрочных и титановых сплавов / В.А. Кривоухов, C.B. Егоров, Б.Е. Бурштейн и др.; Под ред. В. А. Кривоухова.- М.: Машгиз, 19 61.244 с.

22. Обработка металлов резанием с плазменным нагревом / А.Н. Резников, М.А. Шатерин, B.C. Кунин, JI.A. Резников; Под общ. Ред. А.Н. Резникова.- М.: Машиностроение, 1986.- 232 с.

23. Обработка резанием жаропрочных сталей, сплавов и тугоплавких металлов / A.M. Даниелян, П.И. Бобрик, Я.Л. Гуревич, И. С. Егоров; Под общ. ред. A.M. Даниеляна. М,: : Машиностроение, 1965.- 308 с.

24. Обработка резанием жаропрочных, высокопрочных и титановых сплавов / Н.И. Резников, Е.В. Бурмистров, И. Г. Жарков и др.- М.: Машиностроение, 1972.- 200 с.

25. Резников А.Н. Оценка деформаций при резании ау-стенитных сталей / А.Н. Резников, Ю.Н. Логинов, Е.В. Боя-ринцев // Известия вузов. Машиностроение.- 198 9.- № 10.-С. 129-133.

26. Резников А.Н. Тепловые процессы в технологических системах / А.Н. Резников, Л.А. Резников.- М.: Машиностроение, 1990.- 288 с.

27. Седельников А.И. Исследование процесса резания литой нержавеющей стали ВНЛ-3: Дис. канд. техн. наук: 05.03.01.- Тула, 1975.- 266 с.

28. Силин С. С. Метод подобия при резании металлов.-М.: Машиностроение, 1979.- 152 с.

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

30. Талантов Н.В. Температурно-деформационные закономерности процесса резания // Оптимизация процессов резания жаро- и особопрочных материалов: Межвузовский сборник.- Уфа, 1984.- С. 3-10.

31. Талантов Н.В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента.- М.: Машиностроение, 1992.- 240 с.

32. Трент Е.М. Резание металлов: Пер. с англ. / Пер. Г.И. Айзенштока.- М.: Машиностроение, 1980.- 264 с.

33. Филимонов Л.Н. Особенности стружкообразования в условиях локального термопластического сдвига при высокоскоростном резании / Л.Н. Филимонов, Л.Н. Петрашина // Вестник машиностроения.- 1993,- № 5-6.- С. 23-25.130

34. Флаксман A.JI. Совершенствование методов и средств отвода и удаления сливной стружки при резании вязких материалов на примере обработки трубных заготовок: Дис. канд. техн. наук: 05.03.01.- Москва, 1999.- 160 с.

35. Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы.- 2-е изд.- М.: Металлургия, 1969.-752 с.

36. Шифрин А.Ш. Обработка резанием коррозионностой-ких, жаропрочных и титановых сталей и сплавов / А.Ш. Шифрин, JI.M Резницкий; Под ред. JI.M Резницкого.- JI.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1964.-448 с.

37. Fleming М.А. PCBN hard turning and workpiece surface integrity / M.A. Fleming, C. Sweeney, T.J. Valentine, R. Simpkin // Industrial Diamond Review.- 1998.-№ 4 . pp. 128-133.

38. Ng E-G. Evaluation of cutting force and temperature when turning hardened die steel with AMBORITE AMB90 and DBC50 tooling / E-G. Ng, D.K. Aspinwall // Industrial Diamond Review.- 1999.- № 3. pp. 183-240.