автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Разработка методологии управления обработкой при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ

004612755

На правах рукописи

НЕКРАСОВ Юрий Иннокентьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ УПРАВЛЕНИЯ ОБРАБОТКОЙ ПРИ ТОЧЕНИИ ЖАРОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ НА СТАНКАХ С ЧПУ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 8 НОЯ 2010

Тюмень - 2010

004612755

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» (ТюмГНГУ)

Научный консультант: - доктор технических наук,

профессор Утешев Мирабо Хусаинович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор Верещака Анатолий Степанович

- доктор технических наук, профессор Коротков Александр Николаевич

- доктор технических наук, профессор Моргунов Анатолий Павлович

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Защита состоится 23.12.2010 г. в Ю00 на заседании диссертационного совета Д 212.273.09 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38, зал имени А. Н. Косухина.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменского государственного нефтегазового университета.

Автореферат разослан £5, /¿7, 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ШущА^^ И. А. Бенедиктова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Модернизация экономики страны обуславливает реализацию в промышленности высоких технологий, связанных в сфере машиностроительного производства с переходом к высокоточной обработке на станках с числовым программным управлением (ЧПУ). В то же время экономика современного производства диктует необходимость максимального повышения производительности процессов обработки, чтобы в короткие сроки окупались затраты на приобретение весьма дорогостоящего высокотехнологичного оборудования.

Однако повышение режимов резания в процессе точения высокопрочных труднообрабатываемых материалов на станках ЧПУ приводит к существенному увеличению силовых и температурных контактных нагрузок и сопровождается нарушением работоспособности инструмента. При этом изменяется характер проявления отказов инструмента и вместо образования фаски износа преобладающими становятся разрушения с накоплением повреждений, которые проявляются в виде выкрашиваний, а также микро- и макросколов режущих лезвий.

Точение на станках с ЧПУ сложных поверхностей вращения (С/7В) с прямолинейными и криволинейными образующими (до 70% от общей площади) деталей из высокопрочных труднообрабатываемых материалов, используемых в авиастроении, энергетическом, нефтегазовом машиностроении и др., происходит в специфических условиях нестационарного резания и сопровождается интенсивным разрушением режущих лезвий, что приводит к снижению точности обработки и нерегла-ментированным отказам инструмента. Обеспечение точности формообразования С/76 деталей из жаропрочных сталей и сплавов на практике достигается за счет «уточнения» выдерживаемых размеров, связанного с выполнением дополнительных проходов в сочетании со снижением режимов резания. Тем не менее, существенное увеличение трудоемкости обработки в условиях реального производства сопровождается повышенными издержками по инструментальным расходам, браку и простоям автоматизированного технологического оборудования с ЧПУ.

С учетом накопления повреждений инструмента диктуемое условиями производства обеспечение стабильности обработки на станках с ЧПУ предопределяет необходимость эффективного управления процессами нестационарного резания. Это обуславливает разработку моделей и алгоритмов, а также способов и устройств для диагностики и управления с оперативным вводом коррекций одновременно по режимам резания и по траекториям движения формообразующего режущего инструмента (ФРИ), что при модернизации производства принципиально может быть реализовано с использованием станков, оснащенных современными системами ЧПУ.

Проведенный при выполнении диссертационной работы анализ показал, что комплексное решение актуальных задач современного высокотехнологичного машиностроительного производства может быть реализовано разрешением научной проблемы - максимального повышения производительности обработки жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ, обеспечиваемым разработкой методологии максимального (наиболее полного) использования ресурса режущего инструмента по критерию прочностности при совершенствовании теории и практики управления процессами его нагружения.

Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка методологии оценки накопления повреждений режущего инструмента, а также совершенствование теории и практики управления процессами нагружения инструмента в условиях нестационарного резания как основы наиболее полного использования его ресурса по критерию прочности для максимального повышения производительности обработки жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ.

На основании результатов анализа для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Разработать экспериментальные установки и методы исследований деформирования и разрушений режущего инструмента в процессе точения жаропрочных сталей и сплавов. Разработать модели накопления повреждений и установить взаимосвязь деформирования срезаемого слоя с напряженно-деформированным и тепловым состоянием инструмента при его нагружении.

• Исследовать изменения процессов деформирования срезаемого слоя во взаимосвязи с силовыми и температурными контактными нагрузками в специфических условиях перехода от образования сливной к образованию суставчатой (циклической) стружки при точении жаропрочных сталей и сплавов.

• Разработать концепцию прогнозирования работоспособности и ресурса * инструмента по критерию прочности для ее использования при исследованиях накопления повреждений и разрушений режущих лезвий в условиях нестационарного резания высокопрочных труднообрабатываемых материалов.

• Применительно к условиям точения СПВ деталей из жаропрочных сталей и сплавов разработать систему диагностики, обеспечивающую определение отклонений расположения элементов ТС при их нагружении в процессе нестационарного резания, а также систему формирования и оперативного ввода соответствующих коррекций в процесс обработки на станках с ЧПУ.

• Сформировать программный комплекс и аппаратное обеспечение диагностики и управления обработкой на станках с ЧПУ, а также разработать систему инструментов и алгоритмы управления процессами деформирования срезаемого слоя и нагружения инструмента, обеспечивающие его работоспособность в условиях нестационарного резания при наиболее полном использовании ресурса по критерию прочности режущего инструмента.

Методы исследований. Для исследований напряженно-деформированного состояния режущей части инструмента из меташюкерамических твердых сплавов и инструментальных сталей созданы установки, а также отработан и применен метод лазерной нанометрии деформирования режущего инструмента (A.C. 1173179). Разработаны установки и методики лазерного сканирования прямолинейных и криволинейных лезвий режущего инструмента (A.C. 1089539). Разработаны основанные на принципах мехатроники способы и устройства для оперативного определения непосредственно в процессе резания параметров деформирования срезаемого слоя по величине усадки стружки (Пат. 2254210, Пат. 2311990). Использованы основные положения, методология и методы технологии машиностроения, теории резания и теории автоматического управления, теории конечных пластических деформаций, теории прочности, фрактографии и механи-

ки разрушений, вычислительной математики, математической обработки результатов экспериментов, компьютерного моделирования и программирования. Разработанные вычислительные алгоритмы и программы имеют оригинальное авторское содержание (Сеид. ОРП. 2003611797, 2003611798, 2007613348, 2008610386, 2008610387, 2008610388). Экспериментальные исследования и их технологическая привязка к условиям производства проведены в лабораториях ГОУ ВПО «ТюмГНГУ», а также на базе ОАО «ТЮМЕНСКИЕ АВИАДВИГАТЕЛИ», ОАО «Газтурбосервис», ОАО «Сибнефтемаш», ОАО «СТАНКОСЕРВИС» с использованием современных аттестованных приборов, методов и средств измерений.

Достоверность результатов исследований. Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы теоретическими решениями, базирующимися на положениях механики и теплофизики процессов резания, теории упругости, теории пластичности, механики деформируемого тела, физики оптических явлений. Принятые допущения получили мотивированное обоснование. Во всех необходимых случаях осуществлена экспериментальная проверка теоретических решений. При проведении экспериментальных исследований использована аттестованная измерительная техника. Достоверность и обоснованность теоретических выводов подтверждена данными производственных испытаний, а также экспериментальными данными, полученными лично соискателем и при его непосредственном участии.

Научная новизна. • Разработаны теоретические положения и научно обоснована методология обеспечения работоспособности инструмента на основе наиболее полного использования его ресурса по критерию циклической прочности в процессе точения жаропрочных сталей и сплавов.

• С использованием метода лазерной нанометрии деформирования инструмента непосредственно в условиях резания жаропрочных сталей и сплавов определены параметры деформирования, а также установлены закономерности распределения силовых и температурных деформаций и напряжений в режущем клине инструмента из инструментальных сталей и металлокерамических твердых сплавов.

• С использованием метода лазерного сканирования установлен вид и экспериментально подтверждена адекватность моделей накопления повреждений, обусловленных разрушением лезвий инструмента в процессе точения жаропрочных сталей и сплавов. Получены зависимости параметров накопления повреждений от величин контактных напряжений и температур, а также числа циклов на-гружения режущих лезвий.

• Научно обоснована, выдвинута и подтверждена результатами экспериментальных исследований гипотеза об условиях перехода от образования сливной к образованию суставчатой стружки при достижении конечных пластических деформаций удлинения в направлении текстуры стружки, формирующейся при резании. Создана кинематическая модель формирования суставчатой стружки, разработаны алгоритмы определения геометрических параметров образующихся при этом элементов. Это позволило схематизировать распределение напряжений, а также получить модели параметров контактного взаимодействия в зоне резания

и на рабочих поверхностях лезвий твердосплавного инструмента при его циклическом нагружении.

• Установлено, что при оценке прочности инструмента напряженное состояние режущего лезвия в различных фазах формирования элементов суставчатой стружки описывается асимметричными циклами сложной системы напряжений. При этом работоспособность инструмента определяется удельной работой и относительным объемом разрушения его лезвий, а также кумулятивной функцией накопления повреждений Пальмгрена-Майнера, являющейся одновременно энергетической и вероятностной характеристикой прочности режущего инструмента.

• Предложена концепция прогнозирования, а также модель ресурса режущего инструмента по критерию циклической прочности при нестационарном резании. Концепция основана на определении допускаемого прочностью инструментального твердого сплава числа циклов нагружения режущих лезвий с учетом установленной системы напряжений, действующих в режущем клине инструмента.

• Показано, что стабилизация деформирования срезаемого слоя обеспечивает постоянство контактных напряжений и температур на рабочих поверхностях инструмента в условиях нестационарного резания.

• Разработана модель интегрированной системы (ИСДУ), сочетающей диагностику процессов нагружения приводов станка с ЧПУ и элементов ТС с вводом комплекса коррекций при управлении обработкой. Предложены алгоритмы и программное обеспечение оперативного ввода коррекций одновременно в режимы резания и в траектории движения формообразующего режущего инструмента (ФРИ).

• Установлено, что разработанная методология управления, реализующая сочетание системы коррекций в наибольшей мере компенсирует погрешности, возникающие в ТС при нестационарном резании, и обеспечивает наиболее полное использование ресурса инструмента по критерию циклической прочности при максимальной производительности обработки жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ.

Все результаты исследований, представленные в диссертации, получены лично соискателем или при непосредственном его участии.

Практическая ценность работы заключается в разработке теоретического, методического и программного комплексов, сформированных для повышения эффективности лезвийной обработки. Практическую значимость имеет также использование установок, устройств и инструментов, обеспечивающих повышение эффективности обработки на станках с ЧПУ, для реализации которых:

• разработаны методы и устройства для определения параметров повреждений инструмента, позволяющие прогнозировать накопление и интенсивность разрушений лезвий режущего инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ (A.C. 1173179, A.C. 1089539);

• создана система диагностики деформирования срезаемого слоя на основе оперативного определения кинематической усадки, позволяющая при изменениях сечения срезаемого слоя, скорости и глубины резания, подачи и диаметра обработки, а также при накоплении повреждений режущих лезвий обеспечивать стабилизацию контактных напряжений и температур на рабочих поверхностях лезвий инст-

румента в условиях нестационарного резания при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ (Пат. 2009804, Пат. 2254210, Пат. 2311990);

• созданы конструкции сборного режущего инструмента, обеспечивающие повышение его работоспособности за счет рационального силового и температурного нагружения сменных режущих пластин (СРП), а также комплекс модулей для определения параметров процесса резания, состояния и диагностики отклонений расположения элементов ТС при их нагружении в процессе нестационарного резания (А.С.901844, А.С.1157601, Пат. 2009804, Пат. 2076017, Пат. 2235622 Пат. 2238825, Пат. 2240207, Пат. 2245226, Пат.2245228, Пат.2309818, Пат.2309819)-

• предложен программно-аппаратный комплекс диагностики и управления обработкой, программные продукты для диагностики процесса резания и управления следящим и шаговым приводами исполнительных рабочих органов (ИРО) станков, реализующие при использовании систем числового программного управления класса PCNC (Personal Computer Numerical Control) интерполяцию и оперативный ввод коррекций в траектории движения формообразующего режущего инструмента (ФРИ) при изменениях составляющих силы резания в процессе точения СПВ фасонных деталей из жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ (Сеид. ОРП. 2003611797,2003611798,2007613348,2008610386,2008610387,2008610388).

На защиту выносятся новые научные результаты:

• решение научной проблемы максимального повышения производительности обработки жаропрочных сталей и сплавов при точении на станках с ЧПУ;

• методологию оценки накопления повреждений и разрушений твердосплавного режущего инструмента в условиях нестационарного резания, а также управления процессами его нагружения как основы наиболее полного использования его прочности;

• модели распределения напряжений, деформаций и температур в режущем инструменте во взаимосвязи с нагружением его лезвий при нестационарном резании жаропрочных сталей и сплавов;

• концепцию взаимосвязи деформирования срезаемого слоя с контактными нагрузками, а также кинематическую модель перехода от формирования сливной к образованию суставчатой стружки при достижении конечных пластических деформаций удлинения в направлении текстуры стружки в процессе точения жаропрочных сталей и сплавов;

• методики, способы и устройства для диагностики и управления процессами деформирования срезаемого слоя, управления нагружением следящих приводов и управления нагружением инструмента с вводом оперативных коррекций в режимы резания и одновременно в траектории движения ИРО станков с ЧПУ.

Реализация результатов работы. Диссертационная работа выполнялась в рамках комплексных программ: «АВИАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ», раздел 05.01 - «Методы механической обработки лезвийным инструментом», а также Целевой комплексной научно-технической программы О.Ц.О! 1 (раздел 09.01) АН СССР. В 2000 г. работа была поддержана грантом Минобразования РФ, а с 2001 г. разделы работы выполнялись при поддержке грантов Губернатора Тюменской области в соответствии с Региональной целевой программой «РАЗВИТИЕ ПРЕДПРИЯТИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ И МЕТАЛЛООБРАБОТКИ». В 2003 году выполненные разработки были представлены в г. Москва на Всероссийском выставоч-

ном центре (ВВЦ) и отмечены дипломом IX-й Международной выставки научно-технических проектов «ЭКСПО • Наука 2003», а также медалью «ESI - Moskow 2003». Результаты исследований и разработки диссертации в соответствии с Региональной целевой программой внедрены на предприятиях Тюменской области, а именно: ОАО «ТЮМЕНСКИЕ АВИАДВИГАТЕЛИ», ОАО «ТЮМЕНСКИЕ МОТОРОСТРОИТЕЛИ», ОАО «ГРОМ», ОАО «Газтурбосервис», ОАО «Сибнефтемаш», ОАО «Сибтехмаш», ОАО «Нефтепроммаш», ОАО «СТАНКОСЕРВИС», ООО «Сибинструментсервис» и др. При изготовлении фасонных деталей авиадвигателей, турбин и деталей нефтегазового оборудования реализовано переоснащение токарных станков модернизированными системами ЧПУ класса PCNC и диагностическими модулями. Диагностика ТС и оперативный ввод коррекций по траекториям движения ФРИ и режимам резания реализованы с использованием специализированного программно-аппаратного комплекса. Реализовано точение СПВ фасонных деталей из жаропрочных сталей и сплавов, разработаны конструкции сборного режущего инструмента и системы оперативного ввода коррекций при управлении процессами нестационарного резания, что обеспечило наибольшую для конкретных условий производства эффективность обработки на станках с ЧПУ. Экономический эффект, подтвержденный актами внедрения результатов диссертационной работы в производство, составляет свыше 2.146.387 рублей.

Результаты исследований используются в учебном процессе ГОУ ВПО «ТюмГНГУ» в виде 5-и учебных пособий, лекционных материалов, а также в курсовом и дипломном проектировании на выпускающих кафедрах машиностроительного профиля.

Под руководством автора и с использованием основных положений его работы подготовлены и защищены кандидатские диссертации.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и одобрены на 56 научно-технических конференциях (НТК) различных уровней. Результаты НИР доложены на 29 Международных, Межгосударственных, Всесоюзных и Всероссийских конференциях в городах: Москва, Санкт-Петербург, Киев, Горький, Днепропетровск, Куйбышев, Казань, Новгород, Новосибирск, Пенза, Томск, Тюмень, Курган, Самара, Сыктывкар, Ульяновск, Челябинск. А именно: на II Всесоюзном семинаре «Геометрические методы исследования деформаций и напряжений» (Челябинск, 1976); III Всесоюзном семинаре «Оптико-геометрические методы исследования деформаций и напряжений» (Днепропетровск, 1978); Всесоюзной НТК «Повышение долговечности и надежности машин и приборов» (Куйбышев, 1981); IV Всесоюзном семинаре «Оптико-геометрические методы исследования деформаций и напряжений и их стандартизация» (Горький, 1982); Всесоюзной НТК «Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений» (Киев, 1983); Всероссийской НТК «Комплексное использование природных ресурсов» (Томск, 1984); Всесоюзной НТК «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 1985); Всесоюзной НТК «Применение лазерных технологий для повышения качества изделий» (Тюмень, 1985); Всесоюзной НТК «Оптико-геометрические методы исследования деформаций и напряжений» (Челябинск, 1986); VI Всесоюзной НТК «Повышение роли стандартизации и метрологии в обеспечении интенсификации общественного производства» (Казань, 1987); III Всесоюзной НТК «Нелинейная теория упругости» (Сыктывкар, 1989), II Всесо-

юзной НТК «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 1989); Всесоюзной НТК «Опыт и проблемы перестройки взаимодействия вуз-предприятие» (Киев, 1991); Межгосударственной НТК «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 1993); Международной НТК «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 1996); Международной НТК «Технология - 96» (Новгород, 1996); Всероссийском научном симпозиуме «Синергетика. Самоорганизующиеся технологии» (Москва, 1996); Всероссийской НТК «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 2003); VI Всероссийской НТК «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2003); Международной НТК «Актуальные вопросы промышленности и прикладных наук» (Ульяновск, 2004); IX Международной НТК «Современные тенденции развития машиностроения и материалов» (Пенза, 2004); II Международной НТК «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2004); IV Всероссийской НТК «Инновации в машиностроении» (Пенза, 2004); VI Международной НТК «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения» (Санкт-Петербург, 2005); Международном симпозиуме «Образование через науку» (Москва, 2005); III Всероссийской НТК «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности» (Новосибирск, 2005); Международной НТК «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень,

2005); III Международной НТК «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (Тюмень, 2005); Международной НТК «Повышение качества продукции и эффективности производства)) (Курган, 2006); 2-го Международного форума «Актуальные проблемы современной науки» (Самара,

2006); 1У Международной НТК «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (Тюмень, 2008).

Полное содержание работы в 2010 г. доложено на объединенном научном семинаре кафедр «Технология машиностроения», «Станки и инструменты», «Материаловедения и ТКМ» Тюменского государственного нефтегазового университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 109 работ. Результаты НИР отражены в монографии; в прошедших государственную регистрацию 6 отчетах по НИР и руководящих, технических материалах (РГМ); в 5 учебных пособиях; в 37 авторских свидетельствах (АС.), патентах на изобретения (Пат.) и свидетельствах (Сеид. ОРП.) об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 313 наименований и приложений. Работа содержат 295 страниц, 215 рисунков, 23 таблицы, включая приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель, представлены научная новизна, практическая ценность и значимость исследования, научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится аналитический обзор по теме диссертации. Анализируется состояние проблемы управления обработкой жаропрочных сталей и сплавов в условиях нестационарного резания и недостаточной прочности инструмента при точении на станках с ЧПУ. Разработке теоретических основ, проблемам управления обработкой на станках с ЧПУ и проблемам обеспечения эффективности использования режущего инструмента посвятили работы отечест-

венные и зарубежные ученые: Армарего И. Дж., Базров Б. М., Балакшин Б. С., Безъязычный В. Ф., Бобров В. Ф., Браун P. X., Васин С. А., Верещака А. С., Грановский Г. И., Грубый С. В., Гречишников В. А., Гувер М. П., Гузеев В. И., Дре-валь А. Е., Жуков Ю. Н., Зиммерс Э., Кабалдин Ю. Г., Кирсанов С. В., Короткое А. Н., Кушнер В. С., Мазеин П. Г., Лоладзе Т. Н., Макаров А. Д., Маталин А. А., Мирнов И. Я., Митрофанов В. Г., Михеев Ю. Е., Моргунов А. П., Невельсон М. С., Опитд Г., Остафьев В. А., Петрушин С. И., Подураев В. Н., Промптов А. И., Ратмиров В. А., Резников А. Н., Решетов Д. Н., Рыкунов А. Н., Силин С. С., Со-ломенцев Ю. М., Сосонокин В. JI., Старков В. К., Султан-Заде Н. М., Суслов А. Г., Талантов Н. В., Тверской М. М., Трент Е. М., Шаламов В. Г., Шарин Ю. С., Штеферле Т., Шустер М. М., Хворостухин Л. А., Юликов В. М., Якубов Ф. Я. и др.

Вопросам исследования процессов деформирования срезаемого слоя, во взаимосвязи с нагружением инструмента, определению контактных нагрузок и напряженно-деформированного состояния, прочности и работоспособности инструмента, а также обеспечению рациональных режимов его эксплуатации посвятили работы: Андреев Г. С., Артамонов Е. В., Бетанели А. И., Говорухин В. А., Гольдшмидт М. Г., Еремин А. Н., Зорев Н. Н., Иноземцев Г. Г., Креймер Г. С., Кук-лин Л. Г., Куфарев Г. Л., Океанов К. Б., Полетика М. Ф., Прибылов В. Н., Промптов А. И., Розенберг А. М., Розенберг Ю. А., Розенберг О. А., Тахман С. И., Третьяков И. П., Утешев М. X., Хает Г. Л., Хворостухин Л. А., Шабашов С. Н. и др.

Анализ литературных данных показывает, что к настоящему времени установлены основные закономерности деформационных процессов в зоне резания. При этом внимание исследователей сосредотачивалось преимущественно на процессах, сопровождающихся образованием сливной стружки. В результате применительно к условиям стационарного резания и нагружения инструмента, исходя чаще всего из различных допущений, приняты закономерности распределения напряжений, деформаций и температур в режущей части инструмента и на его рабочих поверхностях. К настоящему времени разработаны алгоритмы, а также реализовано адаптивное управление обработкой и процессами резания в режимах стабилизации составляющих силы резания [Р, = const ], мощности резания [Nj = const], температуры (термоЭДС) резания [<90= const], и др., что позволило ограничить величины отклонений расположения элементов ТС при их нагружении силами резания, повысить размерную точность обработки и стойкость инструмента.

Однако, в условиях нестационарного резания при точении фасонных деталей из жаропрочных сталей и сплавов эффективность разработанных технических решений существенно снижается. Диктуемая экономикой производства необходимость повышения режимов резания с целью снижения трудоемкости обработки на станках с ЧПУ, как показывает практика, приводит к интенсификации разрушений, отказам твердосплавного инструмента и, как следствие, к снижению точности формообразования СПВ фасонных деталей из жаропрочных сталей и сплавов. Таким образом, возникает необходимость разработки более эффективных алгоритмов управления обработкой, процессами резания и нагружения инструмента. Важное значение приобретает разработка конструкций инструмента, обеспечивающих его работоспособность при точении жаропрочных сталей и сплавов с учетом специфики нагружения конструктивных элементов сборных резцов и деформирования сменных режущих пластин в условиях нестационарного резания.

В большинстве исследований основное внимание уделено обеспечению эффективности точения поверхностей, формообразование которых практически не накладывает ограничений на изменения геометрических параметров криволинейных лезвий режущего инструмента. Однако, специфические изменения геометрии криволинейных лезвий в процессе нестационарного резания жаропрочных сталей и сплавов приводят к переносу возникающих погрешностей на формируемые СПВ фасонных деталей в процессе их формообразования, что обуславливает необходимость ввода соответствующих коррекций в траектории движения ИРО станков с ЧПУ. При этом используемые в современном производстве системы ЧПУ ориентированы, преимущественно, на решение геометрической задачи перемещения ИРО станка по задаваемой траектории и функционально не приспособлены к оперативному вводу коррекций в процесс обработки по результатам текущей диагностики отклонений расположения элементов ТС.

Решение комплекса проблем обеспечения эффективности обработки жаропрочных сталей и сплавов в условиях нестационарного резания предопределяет, таким образом, необходимость разработки моделей и алгоритмов диагностики деформационных процессов и управления режимами резания с оперативным вводом соответствующих коррекций, реализация которых, как показано в работах Ю. М. Соломенцева, В. Л. Сосонкина, Г. М. Мартинова и др., принципиально может быть обеспечена использованием современных систем ЧПУ класса РСЫС.

В связи с вышеизложенным были сформулированы задачи исследования.

Во второй главе приведены результаты разработки методологии решения проблемы совершенствования управления обработкой и обеспечения работоспособности инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ.

Эффективное использование дорогостоящего высокотехнологичного оборудования в современном машиностроительном производстве предопределяет необходимость разрешения научной проблемы - максимального повышения производительности обработки жаропрочных сталей и сплавов, которое обеспечивается разработкой методологии наиболее полного использования ресурса инструмента по критерию его циклической прочности в процессе нестационарного резания.

Элементом ТС, реализующим основную функцию удаления срезаемого слоя при формообразовании в процессе обработки на станках с ЧПУ является режущий инструмент. Его работоспособность оказывает непосредственное влияние на стабильность обеспечения выходных параметров, таких как производительность обработки и формирование потока погрешностей, обусловленных отклонениями взаимного расположения элементов ТС, что связано с изменением нагрузок, действующих в процессе нестационарного резания.

Сопоставление значимости функций инструмента с затратами на его изготовление, а также с учетом стоимости станко-минуты эксплуатационных расходов показывает, что на основной элемент ТС приходятся лишь доли процента от общей стоимости современного станка с ЧПУ. При этом лимитирующим элементом в структуре ТС при управлении процессом точения жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ становится инструмент, а основным оценочным параметром -его работоспособность, определяемая прочностью и износостойкостью режущих лезвий, рациональное нагружение которых достигается путем управления

2.1.4. Формирование концепции накопления повреждений и оценка циклической прочности инструмента при точении ЖСС с образованием суставчатых стружек

II

Г,

2.1.5. Компьютерная диагностика деформационных процессов в ТС и управление обработкой с вводом оперативных коррекций одновременно по режимам резания и по траекториям движения ИРО станков с ЧПУ

2.2.5. Установлены закономерности и получены модели коррекции режимов резания при стабилизации параметров деформирования срезаемого слоя и контактных нагрузок в процессе точения ЖСС

2.2.6. Выдвинута и сформулирована концепция прогнозирования накопления повреждений режущих лезвий. Установлены параметры нагруже-ния режущих лезвий асимметричными циклами сложной системы напряжений. Предложены модели накопления повреждений лезвий инструмента и ресурса по критерию его циклической прочности

2.2.7. Проведены исследования, разработаны математические модели, алгоритмы и программное обеспечение оперативной диагностики процессов деформирования срезаемого слоя, отклонений расположения элементов ТС и ИРО станков при их иагружении в процессе нестационарного резания. Разработаны алгоритмы формирования и оперативного ввода коррекций в процесс обработки ЖСС на станках с ЧПУ

2.3.5. Разработаны способы, устройства и an-горитмы оперативного определения параметров процесса резания и деформирования срезаемого слоя при точении ЖСС (A.C. 901844, A.C. 1157601. Пат. 2244608, Пат. 2254210)

2.3.6. Разработана методика, алгоритм и программное обеспечение оценки работоспособности инструмента при его циклическом нагру-жении в процессе точения ЖСС на станках с ЧПУ (Свид.ОРП ЭВМ 2007611308. Сеид. ОРП ЭВМ 2008610387. Сеид. ОРП ЭВМ 2008610388}

2.3.7. Разработаны методики, способы и устройства для оперативной диагностики отклонений расположения элементов ТС при их нагружении, алгоритмы и программное обеспечение управления обработкой с вводом оперативных коррекций в процессе точения ЖСС на станках с ЧПУ (Пат. 2244603. Сеиб ОРП 36М 2003611797 Сеид. ОРП ЭВМ 2008610386. Пат 2076017. Пат.2233732, Сеид ОРП ЭВМ 2003611797, Сеид. ОРП ЭВМ 2007613348)

_3. РЕЗУЛЬТАТЫ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ_

Максимальное повышение производительности обработки на основе использования методологии научных исследований, принятия технических и технологических решений для наиболее полного использования ресурса инструмента по критерию прочности при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ

Рис. 1. Структура методологии решения проблемы ТС - технологическая система; ЧПУ - числовое программное управление; ЖСС - жаропрочные стали и сплавы; ИРО - исполнительный рабочий орган; РЧИ - режущая часть инструмента; СРП - сменная режущая пластина; НДС - напряженно-деформированное состояние; A.C., Пат. - авторские свидетельства и патенты на изобретения; Свид.ОРП.- свидетельство об официальной регистрации программ д л я Э В М

режимами обработки. Анализ показывает, что управление формообразованием сложных поверхностей вращения (СПВ) деталей из жаропрочных сталей и сплавов при точении на станках с ЧПУ целесообразно реализовать на базе использования РС1ЧС в качестве двухконтурной системы при управлении режимными параметрами Л в первом (не связанном) контуре и управлении параметрами траекторий Р движения инструмента во втором (связанном), контуре системы. В разработанной системе вектор управления обработкой и-Я + Р, представляем в виде

Р(г)->тах; кеО;

г* = а^тахР(г); (1)

]Гд* =0 -*тт

м

где Щг) - исходное, задаваемое управляющей программой, множество режимов резания; Р(к) - исходное, установленное при наладке ТС, множество геометрических парат

метров конкретных формируемых поверхностей; — суммарный вектор отклонений и

(-1

коррекций режимов резания по параметрам накопления повреждений режущего лезвия, его

нагружения при изменениях параметров сечения и деформирования срезаемого слоя в про*

цессе резания; - суммарный вектор отклонений расположения элементов ТС от ис-

У-1

ходных параметров динамической настройки при наладке ТС, а также их коррекций; А,- - текущие значения параметров формируемого контура; П - множество параметров допустимых отклонений формируемого контура; г, - текущие режимы резания (частота вращения шпинделя п, глубина резания I и минутная подача Б™™), представляемые в виде

5 (2)

геК3; Я3е \Утаи

Шэ - экономически целесообразное и технически возможное множества режимов резания; Р(г)- работоспособность инструмента, определяемая его прочностью при резании.

При точении высокопрочных труднообрабатываемых материалов решающее влияние на работоспособность Р(г) инструмента приобретают его прочность, геометрические параметры лезвия, режимы резания и параметры деформирования срезаемого слоя, обуславливающие изменения силовых и температурных контактных нагрузок при точении СПВ фасонных деталей в условиях нестационарного резания.

Формирование методологии управления обработкой при точении на станках с ЧПУ фасонных деталей из жаропрочных сталей и сплавов наряду с теоретическими исследованиями обусловило также проведение комплекса экспериментальных исследований. Полученные в ходе исследований научные и практические результаты при выполнении работы обеспечили совершенствование управления обработкой в специфических условиях нестационарного резания. На рис. 1 представлено обобщение этих данных, как синтез методологии решения проблемы управления обработкой при точении на станках с ЧПУ. В результате выполнения представленных исследований показано, что использование разработанной методологии позволило разрешить проблему максимального повышения производительности обработки жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ путем наиболее полного использования ресурса режущего инструмента по критерию прочности при рациональном управлении процессами его нагружения.

В третьей главе приведены результаты исследований распределения деформаций, напряжений и температур в режущем клине инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов.

Для исследований деформирования инструмента в процессе резания жаро-' прочных сталей и сплавов в работе применен и отработан метод лазерной наномет-\ рии, который основан на использовании излучения оптических квантовых генераторов (ОКГ) для получения интерферограмм на деформированном в процессе резания ! режущем клине инструмента (A.C. 1173179). При этом полированная боковая по-I верхность режущего клина является предметным зеркалом в оптической схеме лазерного или топографического интерферометра, смонтированного в комплексе с контрольной, динамометрической и регистрирующей аппаратурой на базе станков, ! оснащенных специальными системами приводов.

На экспериментальных установках, непосредственно в процессе резания с использованием скоростной киносъемки (на частотах до 4000 кадр / с), голографиче-ской и сверхскоростной (СФР) фоторегистрации (на частотах до 2,5 млн. кадр /с) по! лучали представленные на рис. 2 интерферограммы, характеризующие деформирование режущего клина инструмента в процессе резания. Специальная графическая ; обработка и расшифровка интерферограмм, полученных с использованием Не -Ne лазеров, позволила установить с точностью до 0,32 х 10? нанометров распреде-

a б в г

Рис. 2. Интерферограммы на режущем инструменте:

а) кинограммы интерференционных картин на деформированном в процессе резания режущем инструменте [Т15К6 - 1Х12Н2ВМФ]; б) голографические интерферограммы деформированного под действием контактных нагрузок инструмента в процессе резания [Р6М5 - ХН35ВТЮ]; в,г) интерферограммы деформированного под действием силовых(в) и температурных (г) контатных нагрузок режущего клина инструмента, полученные с использованием сверхскоростного фоторегистратора мод. СФР [ ВК8 - ХН56ВМТЮ-ВД].

Для режущего клина инструмента, находящегося под действием силовых и температурных контактных нагрузок в плоском напряженном состоянии, уравнение совместности деформаций представляем в виде

V2(al+a2)+j~-a,-(l + Myv2{ßpe3-eocm)=0i (3)

где (ai+Ci) - сумма главных напряжений в расчетной точке;

V' - оператор Лапласа;

E,/.i,a: - модуль упругости, коэффициенты Пуассона и линейного температурного расширения материала инструмента;

9вез, 9ост - температуры в расчетной точке режущего клина при резании и после остывания резца по окончании процесса резания.

При силовом и температурном нагружении в процессе резания поперечные деформации At в расчетных точках режущего клина определяются зависимостью

вжт ) 5 (4)

где t - толщина режущего клина инструмента, выполненного в виде пластины.

Распределение напряжений в режущем клине инструмента при решении плоской задачи теории упругости сводится к нахождению функции напряжений F в результате решения бигармонические уравнения (5), которое представляется в виде системы уравнений Пуассона (6) и Лапласа (7)

dAF . d*F d*F rt d2F d2F _ d2S d2S n

где S(xy) — сумма главных напряжений, т.е. S = (crj + a^ — (сух+ Cv).

Уравнение (7) описывает распределение сумм главных напряжений S(XiY) в исследуемой области. Эта функция определяется экспериментально, т.е. непосредственно по данным лазерной нанометрии деформирования инструмента. Значения составляющих напряжений er» ff» представляли через функцию напряжений Fзависимостями: crx = d2Fldy2\ <JX - d2F/dx2; тху = d2F/dxdy.

Расчет распределения напряжений в режущем клине инструмента по данным о величинах сумм главных напряжений Sfxy) = (cri+crj, , выполняли с использованием метода сеток. При этом частные производные заменяли отношениями конечных величин и вместо одного дифференциального уравнения в частных производных решали систеу алгебраических уравнений для всех внутренних и граничных узлов сетки в рассматриваемой области. Решение полученной системы осуществляли с использованием итерационного метода усреднения, что обеспечивало необходимое приближение (процесс Либмана) к точному решению. Использование на практике отработанного на тестовых программах метода реализовали при расчетах на ЭВМ.

Разделение силовых и температурных деформаций инструмента, осуществляли по специально разработанной методике. Решение представленных выше уравнений методом конечных разностей позволило с использованием ПЭВМ полностью определять составляющие напряжения во всех расчетных точках исследуемого поля режущего клина инструмента. В результате проведенных исследований определили контактные нагрузки и установили закономерности распределения напряжений и температур в режущем клине инструмента из инструментальных сталей и сплавов Р6М5, ВК6, Т15К6, ВК8 при точении жаропрочных сталей и сплавов ХН56ВМТЮ-ВД, 12Х25Н16Г7АР, Х12Н22ТЗМР, ХН35ВТЮ, 1Х12Н2ВМФ. При точении жаропрочных сталей и сплавов в технологически целесообразном диапазоне изменения режимов резания модели распределения нормальных и касательных контактных напряжений ffN, tf на передней и задней поверхностях инструмента адекватно представляем экспоненциальными зависимостями вида:

ffN=ffu-e-*.(e<^'-l); TF=TM-eBie^-1 ), (8)

где ffм , Ти , - максимальные нормальные и касательные контактные напряжения на рабочих поверхностях лезвия инструмента; (х/с) - относительная длина контакта с деформируемым материалом на рабочей поверхности инструмента.

Проведенными исследованиями установлено, что соотношения максимальных (Си ,тм ) и средних нормальных qN и касательных дуконтактных напряжений, а также величины А, В при неизменной геометрии режущего клина инструмента в плоскости схода стружки определяются параметрами деформирования срезаемого слоя, совокупность которых характеризуется через усадку стружки 4 ПРИ резании.

В результате исследований напряженно-деформированного состояния твердосплавных СРП при их нагружении силами резания и закрепления установлено, что более благоприятное с точки зрения прочности распределение напряжений в пластинах в условиях резания достигается приложением нагрузки закрепления N = (0,7-0,8) Р: тал по нормали к передней поверхности режущей пластины в зоне возле центрального отверстия, в результате чего обеспечивается рациональная схема нагружения, увеличение контактной жесткости крепления СРП и допускаемые при резании толщины среза могут быть повышены на 20-25% (A.C. 901844, A.C. 1157601, Пат. 2009804, Пат. 2076017, Пат. 2235622, Пат. 2238825, Пат. 2240207, Пат. 2245226, Пат.2245228, Пат.230981в, Пат.2309819).

В четвертой главе приведены результаты исследований деформирования срезаемого слоя при точении жаропрочных сталей и сплавов в технологически целесообразном диапазоне изменения режимов резания.

При выполнении исследований рассмотрено современное состояние вопроса о деформировании срезаемого слоя при точении жаропрочных сталей и сплавов с позиции положений теории конечных пластических деформаций, разработанной А. Надаи и получившей развитие в исследованиях В. Г. Осипов а. В соответствии с положениями теории, относительные удлинения е„р при достижении конечных (предельных) пластических деформаций обрабатываемого материала в процессе превращения срезаемого слоя в стружку определяются величиной епр = £ /2, где £ -относительный сдвиг при резании. По результатам исследований А. Д. Макарова, С. С. Силина и др. достижение конечных пластических деформаций при резании определяли, чаще всего, как «провал пластичности» обрабатываемого материала при известных температурно-скоростных условиях резания (т.е. V = Vo). Таким образом, конечные (предельные) пластические деформации, определяемые относительным удлинением епр в направлении формирующейся текстуры стружки, функционально связывали с относительным сдвигом ект при резании.

Анализ величин фактического относительного удлинения е^ обрабатываемого материала в направлении формирующейся текстуры стружки при изменении угла сдвига Ф, угла наклона текстуры относительного сдвига £ и усадки стружки £ в процессе точения жаропрочных сталей и сплавов позволил выдвинуть гипотезу о том, что «переход» от формирования сливной к формированию суставчатой стружки связан с достижением предельных пластических деформаций деформируемого при резании материала, которые достигаются при е„р = ерез = £72 = во

Модель перехода и соответствующие «переходу» параметры деформирования срезаемого слоя (обозначенные ниже индексом «о») представлены зависимостями вида:

X^arcct8(l+eoh (11) (12) ^ = , (13)

£0 - sin у sin у

где: ед - конечная пластическая деформация удлинения при переходе от сливной к суставчатой стружке; Е,о - усадка стружки; е0 - относительный сдвиг; Ф 0 - угол сдвига; Хо - угол наклона текстуры; у - передний угол инструмента.

С увеличением скорости резания в диапазоне V > У„, < £0, < Е,0 относительное удлинение е,ч< деформируемого при резании материала в направлении текстуры становится недостаточным для образования сливной стружки (т.е. ещ, <е0), что приводит к формированию наклонной «спинки» элемента суставчатой стружки (см. рис. 3).

(9) ßj = ctg0o + tg(0Q - у)\ (10)

Как показали, результаты экспериментальных исследований при точении жаропрочных сталей и сплавов, угол сдвига Фа в диапазоне £аш < е0 стабилизируется и соответствует конечной пластической деформации сливной стружки при ? = . Концепция подтверждает также выдвинутое Ю. А. Розенбергом положение о том, что при переходе от образования сливной к образованию суставчатой стружки относительный сдвиг £К1Ш и усадка стружки принимают кинематический характер.

Модель формирования суставчатой стружки, иллюстрируемая схемой на рис. 3, характеризует геометрию образующихся элементов. Анализ кинематики формирования суставчатой стружки с учетом подходов Ю. А. Розенберга, А. Н. Резникова, С. И. Тахмана позволил представить кинематическую модель формирования суставчатой стружки и соотношения параметров конечной пластической деформации в виде

Л,„Р = (э„,+1)-

2 я„

-1:

°о 7

К 1000 • sin <£>

60 -cos(0m - у)

1+-

(14)

2-a

е-si пФ0

cosy

•(Э„-и).

cosy

(15)

(16)

где: Экин - элементность стружки; Мт„ - шаг элементов суставчатой стружки; — кинематическая усадка стружки; Яд - толщина суставчатой стружки; а„„„ -минимальная толщина суставчатой стружки; аК1Ш - кинематическая толщина суставчатой стружки; вкин/во - уширение стружки; Фкш, - кинематический угол сдвига в зоне резания;/сдв - частота образования элементов стружки при точении.

С учетом результатов исследований А. А. Виноградова, В. А. Говорухина, М. Г. Гольдшмидта, Г. Л. Куфарева, П. Оксли и др., а также экспериментальных данных, полученных автором при выполнении работы, проведены схематизация и анализ распределения напряжений в зоне резания и на передней поверхности инструмента. С использованием уравнений баланса сил и напряжений получены зависимости, характеризующие величины, а также соотношения параметров деформирования срезаемого слоя и его контактного взаимодействия с рабочими поверхностями лезвий режущего инструмента. Представленные модели параметров Экгт, Мкт,/стр (14 - 16) применительно к условиям образования суставчатой стружки позволили с учетом распределения контактных напряжений получить модели соотношений максимальных (<УЫ, тм ), а также средних нормальных с/,./ и касательных цг. контактных напряжений на рабочих поверхностях лезвия инструмента при изменении системы параметров процесса резания.

В результате установлено и экспериментальными исследованиями подтверждено, что параметром, однозначно характеризующим величину и сочетание

Рис. 3. Схема формирования суставчатой стружки

контактных напряжений и температур в условиях нестационарного резания жаропрочных сталей и сплавов, является кинематический относительный сдвиг £Кию определяемый при точении через кинематическую усадку стружки (Пат. 2009804, Пат. 2254210, Пат. 2311990).

В пятой главе приведены результаты исследований повреждений лезвий режущего инструмента, характерных для специфических условий деформирования срезаемого слоя при нестационарном резании жаропрочных сталей и сплавов.

При выполнении исследований с использованием разработанных методов и устройств реализовали определение параметров повреждений лезвий твердосплавного инструмента, возникающих при точении жаропрочных сталей и сплавов.

Проведенный с использованием методов фрактографии анализ повреждений лезвий режущего инструмента показал, что при точении жаропрочных сталей и сплавов с образованием суставчатых стружек накопление повреждений твердосплавного инструмента характеризуется множественными усталостными и смешанными разрушениями лезвий и сложной геометрией их формирования (см. рис. 4).

Для оценки интенсивности и энергии разрушений, определяемых в соответствии с современными представлениями параметрами объема и площади поверхности, образующейся при множественных усталостных и смешанных разрушениях лезвий, разработаны способ и система лазерного сканирования лезвий по методу «наклонных световых сечений» (А. С. 1089539).

В экспериментальной сканирующей установке, оснащенной шаговым приводом 5-координатного устройства линейных и угловых перемещений с управлением от системы ЧПУ класса РС?4С при сканировании прямолинейных и криволинейных лезвий инструмента обеспечивалась возможность синхронизации перемещений сканируемого режущего элемента с цифровой видеозаписью профило-грамм лазерных световых сечений. Полученные при этом данные в виде профило-грамм после графической обработки подвергали «оцифровке». В результате математической обработки экспериментальных данных модели объема и и площади Р повреждений режущих лезвий в программной среде Ма11пСас1 аппроксимировали интерполяционными полиномами Лагранжа, которые строили по данным лазерной диагностики и представляли в виде

а б в г

Рис. 4. Множественные усталостные и смешанные разрушения лезвий режущего инструмента при точении жаропрочных сплавов а - ХН56ВМТЮ-ВД - [ВК8]; б - ХН77ТЮР - [ВК8]; в - ХН35ВТ-ГВК6М1; г - 12Х2Н16Г7АР-ГГ15К61

дг ■ sin <р

дг • sin ip

dm,

(17)

Г ' (

I

r-r{ уСОЩ

cosftlfy.O -

rt-l

Л», л

cos <p,

ад +п

i-l

г-/•(,. jrcosft

r(ty)-cospt-r(,,rcos^.

-1-.Л -cos^

/(rtj) 'C0SW ~r(l.Jt 'cos9>,

ft-l

xi^-sin^ + tf

R-R^uy cosp,

(18)

R-^jy cos (

fí^tA-COSpt -J\¡jy сощ

+ П

cos <p¡

ние межбу световыми сечениями; £¡ - длина i-ü линии светового сечения; I - длина сканируемого режущего лезвия;/ц„е (г, <р )-функция j-ой линии; г^.^ ■ cosq>,- координата i-ой точки j-

ой - линии по оси ОХ; (| ■ sin <p¡ - координата i-oä точки j-ой линии по оси ОУ; i=0....n-¡ -номер точки; п - количество расчетных точек на линиях; j=0...m-l - номер линии; т - количество расчетных сечений световых линий; j - номер линии (0 <j < (т-1) -число кривых);

ß ■ cosp¡ - координата i-ой точки j-ой - линии по оси ОХ исходного контура режущего лезвия; Ry.jl ■ sin <p¡ - координата i-ой точки j-ой - линии по оси ОУ исходного контура режущего лезвия.

В результате реализации комплекса полных факторных экспериментов N-24 получены математические модели относительного (удельного) объема Uvó накопленных повреждений (разрушений) режущих лезвий инструмента, адекватно (с 95% вероятностью) описывающие зависимость повреждений лезвия от контактных напряжений q^, q¡- и температур в применительно к точению перечисленных выше жаропрочных сталей и сплавов инструментом из металлокерамиче-ских твердых сплавов (здесь Uvó = [Umcmp / Uo6p „,„„]). В общем виде уравнение регрессии для полученных моделей представлено ниже:

Uy,^A + BqN(a) + Ce(ß) + D-qlN{S) + EqN(a)-9(ß) + F-qN{a)xqlN{,S) +

(19)

+ G ■ q, (a)..0 (/?) - g'N (¿>) + H ■ qN(a) ■ q'N (Ö) ■ q'F (y) + К ■ 9 (ß) ■ q'N(Ó) ■ q'F(y\

где a, ß, ¿>, y - параметры уровней варьирования факторов q^, q¡?; в;

А,В,С,...,К-коэффициенты аппроксимирующего полинома.

В частности, модель удельного объема Uyd повреждений лезвия режущего инструмента из твердого сплава ВК8 (в расчете на 1 мм длины активной части режущего лезвия) при точении жаропрочного сплава ХН56ВМТЮ-ВД получена в виде У = 122,642 - 19,25-Х i + 14,764Х2 - 8,415Х3 - 34,530 ХГХ2 +

+ 11, 699 XrXj - 5,812-XrXrX3 + 8,559 ХгХуХ4 - 7,758-ХгХ3-Х4, (20) где (код. - У) - удельный объем накопленных повреждений лезвия режущего инструмента - Uyd [мкм3шстр/мм оВриат}\ (код. - Xi) - средние нормальные контактные напряжения на передней поверхности инструмента - q^ [МПа]; (код. - X¡) - средняя температура в зоне контакта - в [/<]; (код. - X}) - средние нормальные контактные напряжения на

задней поверхности инструмента - q'n [МПа]', (код. - X¿ - средние касательные контактные напряжения на задней поверхности инструмента - q'p[Mna], Установлено, что наиболее значимыми факторами, определяющими интенсивность разрушений при накоплении повреждений режущих лезвий, являются контактные напряжения q^ на передней поверхности и температура резания д, сочетание которых (т.е. q.v xß) оказывает решающее влияние на интенсивность разрушений твердосплавного инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов.

Проведенный при выполнении исследований анализ показал, что адекватной энергетической моделью предельного состояния инструментальных твердых сплавов при усталостных разрушениях лезвий режущего инструмента является кумулятивная функция накопления повреждений Пальмгрена • Майнера - W, харак-

( > ( \

С7П СГ

+ —2L

(21)

Ф

3.0

Sil

II ÍS

в

w

15 5» Ja 0,66

11 ojj

Й fe

?■§ 0

А.

Í?J"

IU

ít

теризующая предельную величину необратимо рассеянной в лезвии инструмента энергии, накопленной под воздействием циклического нагружения при определенной асимметрии и амплитуде напряжений в единице объема нагружаемого инструментального металлокерамического твердого сплава.

С учетом сформулированного А. А.Лебедевым критерия усталостной прочности, кумулятивную функцию W накопления повреждений, являющуюся одновременно энергетической и вероятностной характеристикой, представляли зависимостью:

W = У ^ = А0 mNC

где па - число активированных разрываемых связей в инструментальном материале; Nc - общее число связей в инструментальном материале;

СГа = X-Via+O - Z)-O-,a\ (22) Х = О» (23) сгт = Х-сГш+(1 - X) -о>и;(24) А„ = аь /ст.,. (25) Здесь аа - амплитудное значение эквивалентного напряжения цикла нагружения; стт - среднее значение эквивалентного напряжения цикла нагружения; ош — амплитудное значение эффективного напряжения цикла нагружения; a¡a - амплитудное значение главного crj напряжения цикла нагружения; cr¡n — среднее значение эффективного напряжения цикла нагружения; a¡m — среднее значение главного <J¡ напряжения цикла нагружения; сге — предел прочности на растяжение; сг6 - предел прочности на сжатие; cr.i -предел прочности при симметричном цикле нагружения (предел усталости).

Анализ полученных в результате проведенных экспериментальных исследований зависимостей параметров W, Uyd от кинематического относительного сдвига ект и кинематической усадки стружки £кин> (см. рис. 5), позволил обосновать и предложить концепцию прогнозирования работоспособности инструмента по энергетическому параметру Ар - удельной работе разрушения лезвия при накоплении ограниченного числа Nm циклов его нагружения. Зависимости удельной работы разрушения лезвия инструмента Ар [Дэ/с/м1] , определяемой при асимметричных циклах нагружения лезвия инструмента на основании диаграмм Велера и схематизированных диаграмм предельных

a - вкз юшмт-вш О - ВК6Н1ХНТПВР) ^ о - да юхгямпич

С\ - ВИЗ иН5Ш1ГС-ВШ о - emtmmoñ О - BKS П2Х25Н16Г7АР1

с, - т о - BKÍ ixmmw-вш nшпорi тхгштлР! xtm¡Bjc)

□ - 6М . _ о - TS.

US

15

17!

кинематическая усадка стружки

ж Тк 12

кинематический относительный сдбиг

Рис. 5. Зависимости параметров работоспособности ¡V, 1]уа и Ар инструмента от деформирования срезаемого слоя при точении жаропрочных сталей и сплавов

циклов Серенсена - Кинасошвили, представляли в виде

4 =

где <ттм - максимальные значения критериальных напряжений цикла нагружения;

Nn - количество циклов нагружения лезвия инструмента, соответствующее числу образовавшихся при резании элементов суставчатой стружки.

При этом модель ресурса инструмента по критерию циклической прочности режущего лезвия (количество циклов нагружения Np режущего лезвия до его разрушения) представляем в виде

N N°'~<Т-^ + 'g-/сгь) + (а-. ■ /суь)У (27)

где ау, kf - коэффициенты, зависящие от состояния поверхности и вида напряженного состояния, а также температурных изменений свойств материала; No. т - базовое число циклов нагружения и показатель степени в уравнении усталости или кривой усталости Велера - [ с" • N = С™ • N0 ]; <jпт , <7тЫ - максимальные и минимальные значения эквивалентных напряжений асимметричного цикла нагружения.

В результате проведенных исследований показано, что работоспособность твердосплавного режущего инструмента, определяемая сочетанием параметров W, Uyd, Ар, функционально связана с деформированием срезаемого слоя, характеризуемым при резании усадкой £стружки. Это указывает на целесообразность прогнозирования ресурса инструмента в процессе нестационарного резания путем стабилизации усадки стружки, т.е. реализации режима обработки [¿г, = const ] (у = 0°) при точении на станках, оснащенных системами ЧПУ класса PCNC (Пат. 2254210).

В шестой главе представлены результаты исследований и определения параметров коррекции режимов обработки по данным о деформировании срезаемого слоя в процессе нестационарного резания при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ. Для определения влияния скорости резания V и толщины среза а на выходные параметры процесса при выполнении работы использовали комплекс устройств, включающий разработанные системы измерения термоЭДС резания Е и усадки стружки £ (А.С.901844, А.С.1157601, Пат.2009804, Пат. 2254210). Это позволило получить адекватные математические модели Т= / (г); 0-f (г); /(г), где rt О { Vj; at ] для условий точения указанных выше материалов. Анализ, экспериментальных данных и применимости полученных моделей показал что стабилизация контактных нагрузок в режиме = const] обеспечивает адекватный контроль процессов нагружения лезвий инструмента при нестационарном резании жаропрочных сталей и сплавов. В разработанной подсистеме диагностики (А.С.901844, А.С.1157601, Пат.2009804), установленной непосредственно на станке, оснащенном системой ЧПУ класса PCNC, в качестве диагностического устройства использовали беспроводную видеосенсорную система определения перемещений стружки Lcmp непосредственно при резании (Пат. 2311990). Это позволило производить в PCNC сравнение длины срезанной стружки Lcmp с величиной фактического пути резания Lpe„ определяемого в операционной системе реального времени (ОСРВ) с использованием программного счетчика перемещений, алгоритм работы которого входит в состав программно-аппаратного обеспечения разработанной системы диагностики и управления обработкой.

В работе представлен алгоритм определения необходимой величины стабилизируемого параметра = const] в диапазоне [/?э = f(TJ] экономически целесообразных режимов резания R, с учетом ограничений по требуемой площади F, обрабатываемой поверхности и др. Исходя из необходимости обеспечения максимального использования ресурса по критерию прочности инструмента при расчетах £ учиты-

вали также ограничения по числу формируемых при резании элементов суставчатой стружки, количеству циклов нагружения Мр режущего лезвия действующими при этом напряжениями <тжв, а также по величине кумулятивной функции накопления повреждений IV и удельной работе разрушения режущего лезвия Ар.

Управление процессом нестационарного резания в режиме стабилизации усадки стружки = солз^, обеспечивающее максимальную работоспособность инструмента Р(г) при точении жаропрочных сталей и сплавов, реализовали в виде

Р(г) -> шах;

г* = агатах Р(г); (28)

геЯ..

ге Яэ; Л7 е \Утехн.

где г' - значение аргумента в функцииР(г) при котором она максимальна на множестве Яэ; , - задаваемое и текущее значение усадки стружки при резании; - порог чувствительности компьютерного видеосенсора при измерениях усадки стружки.

Представленный в работе алгоритм формирования и ввода посредством РСМС оперативных коррекций скорости резания V и толщины среза а реализовали в режиме «связанных приводов» при сохранении установленных в процессе наладки соотношений частоты вращения шпинделя п и минутных подач 8МШ (Сеид. ОРП. 2007613348, 2006610387), что обеспечило стабильность режимов нагружения и повышение работоспособности режущего инструмента.

Для повышения точности обработки путем оперативных коррекций траекторий движения ИРО исследовали процессы нагружения, деформирования и отклонения расположения элементов ТС при изменениях технологических составляющих силы резания в процессе точения на станках, оснащенных системами ЧПУ класса РСМС. Оценку величин технологических составляющих силы резания Рх, Ру, Рг в работе основывали на явлении рассогласования положения А со, элементов следящих приводов станков. Для определения соответствия величины рассогласования положения технологическим составляющим Рх, Ру силы резания, разработали подсистема диагностики, включающую нагрузочные устройства и динамометрическую аппаратуру. Управление подсистемой диагностики реализовали посредством РСЫС с использованием специального разработанного программно-аппаратного комплекса. При этом данные об изменениях величин Рх, Ру и соответствующих изменениях параметров рассогласования положения в следящих приводах при различных минутных подачах ИРО станков с ЧПУ определяли путем предварительной диагностики нагрузочных характеристик следящих приводов, регистрируемых в РСМС. Таким образом устанавливали данные соответствия составляющих силы резания Рх, Ру величинам рассогласования положения Ла)х„, А О/,,. После обработки результатов диагностики в РСЫС формировали модели Рх, Ру

Рл, = Кгт\ Д^- - М2_ ]; (29) Ру = Кх

Л®хХ; - Ях-вх,

,(30)

г<?е Кх* N.\-п К^ Ыъя - коэффициенты аппроксимирующего полинома (по данным определения нагрузочных характеристик приводов станка); - величины рассогласования положения в следящих приводах

ИРО станка по осям ОХ, 02.

величины составляющих минутных подач ИРО станка в направлениях координатных осей станка ОХ, 02.

В соответствии с разработанной методологией применительно к условиям производства при настройке на обработку партии деталей в каждой конкретной наладке ТС производили предварительную диагностику нагружения конкретной детали (заготовки). При этом с использованием разработанного диагностического модуля при последовательном нагружении отдельных конструктивных элементов q¡ детали с точностью до 1,0 мкм регистрировали величины отклонений их расположения А под действием сил Р„ Ру и формировали модели ЛХЛ2 отклонений расположения каждого элемента д, детали при его нагружении в направлениях осей координат ОХ, 02

л;. = Я,.+ [а4*: ]+ ; (31) А^ = [д^- ]+ Р^ , (32)

где 0Хп I ЕХа! Рхп > > > ' коэффициенты аппроксимирующего по-

Я< *>Х 1 Я*

пин ома (по данным предварительной диагностики); Дсох " ; Асог - величины рассогласования положения в следящих приводах ИРО станка по осям ОХ, 02.

Данные диагностики нагрузочных характеристик приводов предварительно регистрировали в РСЫС для определения и дальнейшего ввода оперативных коррекций в траектории движения ИРО станков с ЧПУ при точении (Сеид. ОРП. 2003611798).

Процессе формообразования СПВ криволинейным лезвием инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов характеризуется интенсивным накоплением повреждений «радиусного» участка режущего лезвия, сложные изменения которого приводит к возникновению погрешностей обработки. Для определения указанных изменений с целью последующего ввода компенсирующих коррекций в траектории движения ФРИ при обработке на станках с ЧПУ разработали подсистему измерения геометрических параметров криволинейного контура режущего лезвия. При этом с использованием высокоточного диагностического модуля и инструмента (Пат. 2076017, Пат. 2245228, Пат. 2309819), оснащенного дополнительной измерительной базой в виде сферического элемента, установленного в державке резца реализовали промеры радиального смещения точек огибающей криволинейного контура режущего лезвия и их регистрацию на жестком диске РСЫС. После каждого прохода инструмента результаты очередного промера сравнивали в РСЫС с результатами исходного промера и определяли их разность, что позволяло определять смещения точек контура , Ь2"ф в системе координат станка с ЧПУ. В результате очередного промера, следующего по ходу обработки за каждым проходом резца, с точностью до 1,0 мкм определяли отклонения расположения точек контура и в РСЫС формировали модель конкретного контура криволинейного лезвия Гцпс ((р. Я) в виде интерполяционного полинома Лагранжа, который строили по данным диагностики. Компьютерная обработка массивов данных диагностики, сформированных в виде кластеров, позволяла в режиме «реального времени» определять величины смещений , Д2д точек криволинейного контура лезвия режущего инструмента и для повышения точности обработки вводить соответствующие коррекции в траектории движения ФРИ при точении на станках, оснащенных системами ЧПУ класса РСЫС.

Для условий формообразования СПВ фасонных деталей критерий оптимальности по точности обработки с учетом необходимости минимизации отклонений точностного параметра от настроечного размера формулировали в виде

•Лпочя =0=>/г/п, (при - ,) - Л.утахВ соответствии с разработанной мето-

дологией возникающие в процессе нестационарного резания отклонения расположения элементов ТС, т.е. погрешности обработки П^, возникающие при точ-нии на станках с ЧПУ компенсировали путем оперативного ввода коррекций К1 в траектории движения ФРИ, т.е.

^той н

Ш1П

м

•О

(33)

где х,г, Р„ <9; - параметры формируемого контура детали в системе координат технологического пространства Х07. станка с ЧПУ и технологические составляющие силового и температурного нагружения элементов ТС; ^Г 77, „,, "^К] составляющие вектора от-

¡.1

клонений точностных параметров и суммарный вектор коррекции точностного параметра.

В специфических условиях точения маложестких деталей из жаропрочных сталей и сплавов, характерных для авиастроения, до 80% и более погрешностей обработки в ТС связаны с деталью и инструментом. При этом погрешности обработки, относящиеся к детали характеризуются отклонениями расположения обра-

н «<

батываемых элементов деталей Дх„ > в станочной системе координат ХОХ, а погрешности обработки, относящиеся к инструменту и связанные с накоплением повреждений лезвий режущего инструмента и характеризуются отклонениями, расположения криволинейного контура лезвия режущего инструмента. В соответствии с разработанной методологией параметры Ах > . ^ше определяли в

РСЫС при обработке данных диагностики, что позволяло в режиме «реального времени» определять величины оперативных коррекций траекторий перемещений ИРО. При этом непосредственно в процессе обработки на станке с ЧПУ по данным расчетов в РСЫС формировали оперативные коррекции по режимам резания

Яi Йт

(Сеид. ОРП. 2003611798} и определяли параметры коррекций ^К'оТ> Х^оУ по

<•1 1»1

траекториям движения ИРО станка, модели которых представляли в виде

Ё

.(йЛ ) - Г'А яЛ )

Аг~

• С05 агс{ё~.— А х

Ъ.-МГ

~к7

• Ли

агс^

Аг Ах

йу

настр )

- ЛХ.

(34)

0-, ■ Да?.

^(лл)

О Л

л)

агс^

Д г Д~с

п:

■Со$

Л: А х

А-

- А

(35)

где А X ; А 2 - текущие значения перемещений ИРО станка в направлении координатных осей ОХ, 02 при точении.

В седьмой главе приведены результаты исследований и разработки моделей и алгоритмов оперативного ввода коррекций и управления обработкой при точении на станках с ЧПУ.

Разработана функциональная модель интегрированной системы диагностики и управления (ИСДУ), включающая подсистемы предварительной и оперативной диагностики, а также ввода коррекций в процесс обработки на станках с ЧПУ.

Разработанные алгоритмы и программное сопровождение обеспечили диагностику отклонений расположения элементов ТС, нагрузочных характеристик приводов станков с ЧПУ и определение технологических составляющих силы резания при точении по рассогласованию положения в следящих приводах станков (Сеид. ОРП. 2003611798), управляемых системами ЧПУ класса РС1ЧС. Это позволило формировать в РСЫС базы данных диагностики для дальнейшего определения и ввода в режиме «реального времени» оперативных коррекций для компенсации погрешностей обработки в конкретных наладках ТС при точении на станках с ЧПУ.

Ш - вариант обработки с использованием СДУ СИ - з а в од ской вариант обработки

1 - производительность [cmVmuh.J

2 - технологическая себестоимость {руб-1

3 - инструментальные расходы 1руб ]

4 - размерная точность [ 2 квалитета I SO.]

5 - трудоемкость [мин'1

a 6

Рис. 6. Система диагностики и управления обработкой на базе токарного станка, оснащенного системой ЧПУ класса PCNC (а) и технико-экономические показатели (б) эффективности ее использования

В основу разработки программного обеспечения ИСДУ, положен принцип многоуровневой организации обработки информации и модульный принцип композиции структуры, обеспечивающие его многофункциональность. Программное обеспечение ИСДУ по результатам предварительной и оперативной диагностики обеспечивало формирование и ввод оперативных коррекций в процесс обработки на станках, оснащенных системами ЧПУ класса PCNC. Использование ИСДУ-позволило при стабилизации контактных нагрузок в режиме [cf; = const] реализовать управление приводом главного движения токарного станка с ЧПУ путем ввода оперативных коррекций скорости резания V,- (Сеид. ОРП. 2003611797). Реализация в ИСДУ рекомендованного Ю. М. Соломенцевым и др. режима «связанных приводов» обеспечило постоянство задаваемой оператором при отладке программы контурной подачи на оборот шпинделя станка с ЧПУ.

Разработанный программно-аппаратный комплекс позволил в режиме «реального времени» реализовать с использованием систем ЧПУ класса PCNC одновременно оперативный ввод коррекций в траектории движения ИРО станка, а так-

!

же ввод коррекций режимов резания, обеспечивающих при стабилизации контактных нагрузок повышение работоспособности режущего инструмента.

В результате реализации разработанной методологии управления обработкой создана интегрированная система диагностики и управления (ИСДУ) на базе токарного станка с системой ЧПУ класса PCNC (см. рис. 6 а), а выполненные разработки в виде систем диагностических модулей, устройств и программно-аппаратного комплекса внедрены в производство. При этом подтверждено, что совершенствование процессов формообразования СПВ деталей путем оперативных коррекций процессов обработки с использованием ИСДУ (Сеид. ОРП. 2007613348, 2008610387, 2008610388) наряду с повышением работоспособности режущего инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов позволило (см. рис. 6 6), повысить производительность обработки в 1,4 - 1,9 раза, повысить размерную точность обработки до 2-х квалитетов ISO и снизить трудоемкость обработки сложных поверхностей вращения фасонных деталей на 32 - 46%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате выполненных комплексных теоретических и экспериментальных исследований, а также внедрения результатов исследований в производство решена крупная, имеющая важное значение проблема максимального повышения производительности обработки жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ.

Актуальная научная проблема решена и поставленная цель достигнута на основе разработанных теоретических и методологических положений по управлению обработкой на станках с ЧПУ при наиболее полном использовании ресурса инструмента и максимальном повышении производительности обработки.

Наиболее полное использование ресурса инструмента по критерию циклической прочности при обработке жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ базируется на полученных решениях поставленных задач, а также следующих результатах исследований и выводах:

1. Установлено, что при точении жаропрочных сталей и сплавов с образованием суставчатой стружки изменяется характер повреждений лезвий твердосплавного режущего инструмента. Преобладающим видом отказов вместо изнашивания становится накопление повреждений в виде множественных усталостных и смешанных разрушений режущих лезвий. При оценке повреждений инструмента лазерное сканирование режущих лезвий (АС. 10895390) обеспечивает определение геометрических параметров и получение моделей объема и площади образовавшейся при разрушениях поверхности, что позволяет определять интенсивность и энергию разрушений лезвий инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов.

2. Непосредственно при резании высокопрочных труднообрабатываемых материалов экспериментально с использованием лазерной нанометрии деформирования инструмента (A.C. 1173179) установлены закономерности распределения деформаций, напряжений и температур в режущем инструменте из инструментальных сталей и металлокерамических твердых сплавов, а также их взаимосвязь с параметрами деформирования срезаемого слоя в процессе нестационарного резания.

3. На основании выдвинутой гипотезы предложена концепция и модель перехода от образования сливной к образованию суставчатой стружки при достижении конечных пластических деформаций удлинения в направлении форми-

рующейся в процессе резания текстуры стружки. Создана кинематическая модель формирования суставчатой стружки, получены зависимости, позволяющие определять геометрические параметры образующихся при этом элементов.

4. В результате экспериментальных исследований при точении жаропрочных сталей и сплавов с образованием суставчатой стружки установлено распределение напряжений в зоне резания и распределение контактных напряжений на рабочих поверхностях лезвий инструмента при его циклическом нагружении. При этом подтверждено, что обобщающим параметром, характеризующим величины и соотношения контактных напряжений и температур на рабочих поверхностях лезвия инструмента является относительный сдвиг обрабатываемого материала. В условиях нестационарного резания это позволяет при неизменной геометрии лезвия и стабилизации кинематической усадки стружки реализовать постоянство условий нагружения режущего инструмента {Пат. 2254210, Пат. 2311990) и тем самым обеспечивать надежность прогнозирования его работоспособности.

5. Показано, что режущий клин инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов с образованием суставчатой стружки нагружается асимметричными циклами сложной системы напряжений и его ресурс при стабилизации контактных нагрузок определяется числом циклов нагружения режущего лезвия. При этом в соответствии с разработанной концепцией, работоспособность инструмента определяется удельной работой и относительным объемом разрушений режущих лезвий, а также кумулятивной функцией накопления повреждений Пальмгрена - Майнера, сочетающей энергетическую и вероятностную характеристики критерия прочности.

6. Предложены модель и алгоритм управления, разработаны защищенные патентами на изобретения и свидетельствами об официальной регистрации программ ЭВМ устройства и программные продукты для оперативной диагностики и стабилизации параметров деформирования срезаемого слоя (усадки стружки) путем оперативного ввода коррекций режимов резания (Сеид. ОРП. 2007613348, 2008610386,2008610388). Это обеспечивает рациональное нагружение и повышение работоспособности инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ в условиях нестационарного резания. Разработаны защищенные патентами на изобретения конструкции сборного инструмента, обеспечивающие в условиях нестационарного резания рациональное нагружение сменных режущих пластин (СРП) и повышение работоспособности твердосплавного инструмента при точении высокопрочных труднообрабатываемых материалов на станках с ЧПУ (АС. 778940, Пат. 2076017, 2235622,2240207,2238825, 2245228, 2309819).

7. Разработаны математические модели, алгоритмы и программное обеспечение ИСДУ, позволяющие с использованием РОЧС реализовать диагностику деформирования срезаемого слоя, отклонений расположения элементов ТС, управление следящими приводами станков с ЧПУ (Сеид. ОРП. 2003611797, 2003611798), а также формирование и оперативный ввод коррекций в процесс обработки. На основании разработанных методологических положений установлено, что сочетанием оперативных коррекций одновременно по режимам резания и по траекториям движения ИРО станков достигается наибольшая точность формообразования сложных поверхностей вращения деталей в конкретных ТС, а также наиболее полное использование ресурса режущего инструмента по критерию циклической прочности при точении жаропрочных сталей и сплавов в условиях нестационарного резания на станках, оснащенных системами ЧПУ класса РСИС.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В РАБОТАХ: Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК:

1. Некрасов, Ю. И. Оценка разрушений инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ / Ю. И. Некрасов // Омский научный вестник.- Омск, 2010. - № 3 (93).- С. 11-14

2. Некрасов, Ю.И. Топографическая установка для исследования напряженно-деформированного состояния режущей части инструмента / М. X. Утешев, Ю. И. Некрасов, Е. В. Артамонов // Станки и инструмент - 1978.- № 6.-С. 38-39.

3. Некрасов, Ю.И. Измерение в пластинах деформаций с высоким градиентом / М. X. Утешев, Ю. И. Некрасов, Е. В. Артамонов // Заводская лаборатория.- 1977,- №7.-Том43.-С. 889- 891.

4. Некрасов, Ю. И. Деформирование срезаемого слоя в условиях перехода от сливной к образованию суставчатой стружки при точении жаропрочных сталей и сплавов / Ю. И. Некрасов // Омский научный вестник.- Омск, 2010. -№3(93).- С. 16-18.

5. Некрасов, Ю. И. Диагностика деформирования срезаемого слоя и управление нагружением инструмента при точении на станках с ЧПУ / Ю. И. Некрасов // Вестник Кузбасского государственного технического университета.-Кемерово, 2010. - № 4 (80).- С. 57 - 61.

6. Некрасов, Ю. И. Деформирования и рациональное нагружение сменных режущих пластин сборного инструмента / Ю. И. Некрасов // Вестник Кузбасского государственного технического университета.- Кемерово, 2010. - № 4 (80).- С. 54 - 57

7. Некрасов, Ю. И. Интегрированная система диагностики и управления обработкой на токарных станках с ЧПУ / Ю. И. Некрасов // Обработка металлов: (технология, оборудование, инструменты).- Новосибирск, 2005. - № 4 (29).-С. 7-8.

Работы, опубликованные в материалах Всесоюзных, Всероссийских,

Международных конференций, симпозиумов и в других изданиях

8. Некрасов, Ю. И. Исследование напряженного состояния режущей части инструментов с применением оптических квантовых генераторов / Е. В. Артамонов, М. X. Утешев, Ю. И. Некрасов // Геометрические методы исследования деформаций и напряжений: труды Н-го Всесоюзного семинара. - Челябинск, 1976.-С. 137- 146.

9. Некрасов, Ю. И. Исследование интерферометрическим методом напряженно - деформированного состояния многогранных неперетачиваемых пластин в металлорежущих инструментах / Е. В. Артамонов, Ю. И. Некрасов, Н. И. Смолин // Оптико-геометрические методы исследования деформаций и напряжений и их стандартизация: труды 1У-го Всесоюзного семинара. - Горький: ВНИИНМАШ, 1982.-С. 147-151

10. Некрасов, Ю. И. Определение напряженного состояния режущего клина при нелинейности теплофизических и механических свойств инструментальных материалов / Ю. И. Некрасов, Б. В. Барбышев // Нелинейная теория упругости: труды Ш-й Всесоюзной конференции (12-14 сентября 1989 г.). - Сыктывкар: Сыктывкарский гос. ун-т, 1989. - С. 31 - 35.

11. Некрасов, Ю. И. Метрологическая оценка жесткости сборного режуще-

го инструмента / Ю. И. Некрасов // Повышение роли стандартизации и метрологии в обеспечении интенсификации общественного производства: труды VI-й Всесоюзной научно-технической конференции ученых и специалистов Госстандарта. - М: ГОССТАНДАРТ, 1989. - С. 141 -146.

12. Некрасов, Ю. И. Экспериментальные исследования коэффициента динамичности методом лазерной интерферометрии / Г. А. Расторгуев, Ю. И. Некрасов, Е. В. Артамонов // Нефтепромысловое строительство. - М.: ВНИИО-ЭНГ, 1980. -№3. -С. 10-11.

13. Некрасов, Ю. И. Прочностная надежность конструкций сборного инструмента при термомеханическом нагружении / Ю. И. Некрасов, Б. В. Барбы-шев, Р. Ю. Некрасов // Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения: труды VI-й Междунар. конф. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2005. - С. 326-332.

14. Некрасов, Ю. И. Комбинированный инструмент со сферической вставкой / Ю. И. Некрасов // Металлорежущий и контрольно-измерительный инструмент; вып. 11, НИИМАШ. - М., 1977. - С. 1-4.

15. Некрасов, Ю. И. Лазерная и голографическая интерферометрия в машиностроении [Текст]: учебное пособие / Е. В. Артамонов, И. М. Ковенский, Ю. И. Некрасов, В. В. Поветкин. - Тюмень: ТюмГНГУ, 1995. - 172 с.

16. Некрасов, Ю. И. Математическое моделирование деформационных процессов и контактных нагрузок в системе резания / Ю. И. Некрасов // Нефть и газ: Западной Сибири: материалы Международной научно-технической конференции; Т. 1. - Тюмень: Феликс, 2005. - С. 232 - 236.

17. Некрасов, Ю. И. Модель деформирования срезаемого слоя при точении с образованием суставчатой и элементной стружки / Ю. И. Некрасов // Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: материалы Ш-й Международной научно-технической конференции. - Тюмень: Феликс, 2005. - С. 144 - 150.

18. Некрасов, Ю. И. Фрактальный анализ спектров виброакустической эмиссии в технологических системах механообработки / Ю. И. Некрасов, В. Н. Осташков // Фракталы и их приложения в науке и технике: труды Всероссийской научной конференции (4-5 февраля 2003 года). - Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. - С. 152-154.

19. Некрасов, Ю. И. Самоорганизация поверхностей детали, стружки и инструмента в процессе обработки резанием / Ю. И. Некрасов, В. Д. Парфенов // Синергетика, структура и свойства материалов, самоорганизующиеся технологии: Всеросс. науч.-технич. конф.; Ч. 2. -М:. - 1996. - С. 176 - 179.

20. Некрасов, Ю. И. Лазерное сканирование макросколов режущих кромок инструмента / Ю. И. Некрасов // Современные технологии в машиностроении -2003: сборник трудов VI-й Всероссийской научно - практической конференции.- Пенза, 2003. - С. 179 - 183.

21. Некрасов, Ю. И. Моделирование разрушений при оценке ресурса режущего инструмента из металлокерамических твердых сплавов / Ю. И. Некрасов, У. С. Путилова // Актуальные проблемы современной науки: труды 11-го Международного форума. - Самара: СГТУ, 2006. - С. 117 - 121.

22. Некрасов, Ю. И. Напряженно-деформированное состояние, разрушение и прочность режущего инструмента [Текст]: учебное пособие / под ред. М. X. Уте-шева // Ю. И. Некрасов, Б.В. Барбышев, [и др.]- Тюмень: ТюмГНГУ,2008. - 362 с.

23. Некрасов, Ю.И. Формирование системы параметров диагностики процессов обработки на токарных станках с ЧПУ / Ю.И. Некрасов, Н.А. Проскуряков, [и др.].// Инновации в машиностроении: сб. статей IV-й Всероссийской научно-технической конференции. - Пенза: изд-во ПГУ, 2004. - С. 77-81.

24. Некрасов, Ю. И. Расширение технологических возможностей станков с ЧПУ при их сопряжении с ПЭВМ / Ю. И. Некрасов, Н. А. Проскуряков // Инновации в машиностроении: сборник статей III-й Всероссийской научно-технической конференции. - Пенза, 2003. - С. 50 - 53.

25. Некрасов, Ю. И. Определение составляющих силы резания по рассогласованию положения в следящих приводах токарных станков с ЧПУ / Ю. И. Некрасов // Повышение качества продукции и эффективности производства: материалы Международной научно-технической конференции. - Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2006. - С. 80 - 84.

26. Некрасов, Ю. И. Управление от ПЭВМ приводами токарных станков с ЧПУ / Ю. И. Некрасов // Современные технологии в машиностроении - 2003: сборник трудов VI-й Всероссийской научно-практической конференции. -Пенза, 2003.-С. 165 - 169.

27. Некрасов, Ю.И., Структура программного обеспечения интегрированной системы диагностики и управления обработкой на станках с ЧПУ / Ю. И. Некрасов, Н. А. Проскуряков // Современные проблемы машиностроения: труды Н-й Международной научно-технической конференции. - Томск: Изд-во ТПУ, 2004.-С. 521 - 524.

28. Некрасов, Ю. И. Модель интегрированной системы диагностики и управления обработкой на токарных станках с ЧПУ / Ю. И. Некрасов, Н. А. Проскуряков, M. X. Утешев // Современные проблемы машиностроения: труды И-й Международной научно-технической конференции. - Томск: Изд-во ТПУ, 2004.-С. 532 - 538.

29. Некрасов, Ю. И. Интегрированная система диагностики и управления обработкой на станках с ЧПУ / Ю.И. Некрасов // Образование через науку: тезисы докладов Международного симпозиума. - М.: МГТУ им, Н. Э. Баумана, 2005. - С. 198- 199.

30. Некрасов, Ю. И. Лазерная нанометрия деформирования режущего инструмента [Текст]: монография / Ю. И. Некрасов. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2008. -156 с.

Авторские свидетельства, патенты на изобретения и свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ:

31. А. с. 1173179 СССР, МКИ G 01 В 11/16. Способ исследования деформаций материалов в процессе снятия стружки резанием / Е. В. Артамонов, Ю. И. Некрасов, И. А. Ефимович, (СССР). - № 3588086; заявл.08.02.1983, опубл. 15.04.1985, Бюл. № 30.

32. А. с. 1089539 СССР, МКИ G 02 В 27/17. Сканирующее устройство 1Ю. И. Некрасов, В. Н. Дол1ушин, И. А. Еремеев, (СССР). - № 3588991; заявл.08.02.1983, опубл.03.01.1984, Бюл. № 16.

33. А. с. 1157601 СССР, МКИ HOIR 35/00. Устройство для электрической связи между неподвижными и вращающимися объектами / Ю. И. Некрасов, Е. В. Артамонов, И. А. Ефимович, (СССР). - № 3573114; заявл.04.04.1983, опубл.22.01.1985, Бюл. № 19.

34. А. с. 901844 СССР, МКИ G 01 К 7/02. Устройство для измерения тем-

пературы / Ю. И. Некрасов, Е. В. Артамонов, И. А. Ефимович и др., (СССР). -№ 2884590; заявл. 19.02.80, опубл.01.10.1981, Бюл. N° 4.

35. Пат. 2009804, Российская Федерация, МПК 5 В 23 Н 5/04. Способ обработки деталей / Ю. И. Некрасов, Е. К. Липатов, (РФ). - №5004697; за-явл.01.07.1991, опубл.30.03.1994, Бюл. № 6.

36. Пат. 2076017 , Российская Федерация, МПК 6 В 23 В 27/16. Сборный режущий инструмент ! Ю. И. Некрасов, В. Н. Кусков; заявитель и патентообладатель Тюм. гос. нефтегаз. ун-т. - № 59101203; заявл. 27.01.1995, опубл. 27.01.1997, Бюл. №9.

37. Пат. 2244608 Российская Федерация, МПК 7 В 23 В 1/00. Способ определения усадки стружки и устройство для его осуществления / Ю. И. Некрасов, Н. А. Проскуряков [и др.]; заявитель и патентообладатель Тюм. гос. нефтегаз. ун-т - № 2003117275/28(018338), заявл. 09.06.2003, опубл. 27.10.2004, Бюл. № 25.

38. Пат. 2254210 Российская Федерация, МПК 7 В 23 В 1/00. Устройство и способ измерения усадки стружки / Ю. И. Некрасов, Н. А. Проскуряков [и др.]; заявитель и патентообладатель Тюм. гос. нефтегаз. ун-т. - № 2003134568/02 заявл. 27.11.2003, опубл. 20.06.2005, Бюл. № 17.

39. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ

2003611797. Российская Федерация. Программа для управления станком с шаговым приводом [Текст] / Ю. И. Некрасов, Н. А. Проскуряков [и др.]; заявитель и патентообладатель Тюм. гос. нефтегаз. ун-т.- № 2003611307; заявл. 16.07.2003, опубл. 28.07.2003.- 1 с.

40. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ

2003611798. Российская Федерация. Программа для управления станком со следящим приводом [Текст] / Ю. И. Некрасов, Н. А. Проскуряков [и др.]; заявитель и патентообладатель Тюм. гос. нефтегаз. ун-т. - № 2003611308; за-явл.16.07.2003, опубл.28.07.2003. - 1 с.

41. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ 2007613348. Российская Федерация. Программа управления системой компьютерных манипуляторов для определения деформаций срезаемого слоя при точении [Текст] / Ю. И. Некрасов, У. С. Путилова [и др.]; заявитель и патентообладатель Тюм. гос. нефтегаз. ун-т. - № 2007614686; заявл. 26.11.2007, опубл. 21.01.2008. - 1 с.

42. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ 2008610388. Российская Федерация. Программа управления компьютерным манипулятором для определения деформации срезаемого слоя при точении на станке с ЧПУ [Текст] / Ю. И. Некрасов, У. С. Путилова [и др.]; заявитель и патентообладатель Тюм. гос. нефтегаз. ун-т. - № 2007614687; заявл. 26.11.2007, опубл. 21.01.2008. - 1 с.

Подписано в печать 18.10.2010. Формат 60x90 1/16. Усл. печ. л. 2,0.

Тираж 100 экз. Заказ № 399.

Библиотечно-издательский комплекс государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет».

625000, Тюмень, ул. Володарского, 38.

Типография библиотечно-издательского комплекса.

625039, Тюмень, ул. Киевская, 52.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОБЛЕМЫ ОБРАБОТКИ ЖАРОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ ПРИ ТОЧЕНИИ НА СТАНКАХ С ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Точение жаропрочных сплавов на станках с ЧПУ, нагружение и прочность инструмента при нестационарном резании.

1.2. Проблемы формообразования криволинейным лезвием сложных поверхностей вращения при точении на станках с ЧПУ

1.3. Системы и алгоритмы управления обработкой при точении на станках с числовым программным управлением.

1.4. Состояние вопроса и задачи исследования.

2. ФОРМИРОВАНИЕ МЕТОДОЛОГИИ УПРАВЛЕНИЯ ОБРАБОТКОЙ

ПРИ ТОЧЕНИИ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА СТАНКАХ С ЧПУ.

2.1. Методологические проблемы теории и практики управления обработкой жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ.

2.2. Формирование структуры методологии решения проблемы.

2.3. Модель системы диагностики и управления обработкой при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ

2.4. Выводы по разделу.

3. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ИНСТРУМЕНТА ПРИ ТОЧЕНИИ ЖАРОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ.

3.1. Лазерная и голографическая нанометрия деформирования режущего клина инструмента.

3.2. Установки и методы определения напряженно-деформированного и теплового состояния инструмента в процессе резания.

3.3. Модели напряжений, деформации и температуры в режущих элементах инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов

3.4. Выводы по разделу.

4. ДЕФОРМИРОВАНИЕ СРЕЗАЕМОГО СЛОЯ И НАГРУЖЕНИЕ ЛЕЗВИЙ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ТОЧЕНИИ.

4.1. Модель деформирования срезаемого слоя и кинематическая модель формирования суставчатой стружки

4.2. Модель системы напряжений в зоне резания во взаимосвязи с параметрами деформирования срезаемого слоя.

4.3. Модель системы контактных нагрузок на рабочих поверхностях инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов

4.4. Выводы по разделу.

5. РАЗРУШЕНИЕ ЛЕЗВИЙ, НАКОПЛЕНИЕ ПОВРЕЖДЕНИЙ И РЕСУРС ИНСТРУМЕНТА ПРИ ТОЧЕНИИ ЖАРОПРОЧНЫХ. СПЛАВОВ

5.1. Модель повреждений режущего инструмента по данным лазерного сканирования разрушений его режущих лезвий.

5.2. Модель накопления повреждений инструмента в условиях нестационарного резания жаропрочных сталей и сплавов

5.3. Модель ресурса режущего инструмента по критерию его циклической прочности.

5.4. Выводы по разделу.

6. ДИАГНОСТИКА НАГРУЗОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИВОДОВ

И ЭЛЕМЕНТОВ ТС ПРИ ТОЧЕНИИ НА СТАНКАХ С ЧПУ

6.1. Диагностика нагружения приводов станков с ЧПУ и модель составляющих силы резания.

6.2. Модели отклонений расположения элементов ТС при их нагружении в процессе нестационарного резания.

6.3. Формирование модели оперативных коррекций по траекториям перемещений инструмента в процессе точения на станках с ЧПУ

6.4. Выводы по разделу.

7. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УПРАВЛЕНИЯ ОБРАБОТКОЙ ПРИ ТОЧЕНИИ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА СТАНКАХ С ЧПУ

7.1. Методология и модель управления нагружением инструмента при наиболее полном использовании его прочностного ресурса

7.2. Синтез структуры программного обеспечения, алгоритмов и интерфейса оператора при управлении обработкой от РСМС.

7.3. Инновационная эффективность методологии управления обработкой жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ

7.4. Выводы по разделу.

Модернизация экономики страны обуславливает реализацию в промышленности высоких технологий, связанных в сфере машиностроительного производства с переходом к высокоточной обработке на станках с числовым программным управлением (ЧПУ). В то же время экономика современного производства диктует необходимость максимального повышения производительности процессов обработки, чтобы в короткие сроки окупались затраты на приобретение весьма дорогостоящего высокотехнологичного оборудования.

Однако повышение режимов резания в процессе точения высокопрочных труднообрабатываемых материалов на станках ЧПУ приводит к существенному увеличению силовых и температурных контактных нагрузок и сопровождается нарушением работоспособности инструмента. При этом изменяется характер проявления отказов инструмента и вместо образования фаски износа преобладающими становятся разрушения с накоплением повреждений, которые проявляются в виде выкрашиваний, а также микро- и макросколов режущих лезвий.

Точение на станках с ЧПУ сложных поверхностей вращения (СПВ) с прямолинейными и криволинейными образующими (до 70% от общей площади) деталей из высокопрочных труднообрабатываемых материалов, используемых в авиастроении, энергетическом, нефтегазовом машиностроении и др., происходит в специфических условиях нестационарного резания и сопровождается интенсивным разрушением режущих лезвий, что приводит к снижению точности обработки и нерегламентированным отказам инструмента. Обеспечение точности формообразования СПВ деталей из жаропрочных сталей и сплавов на практике достигается за счет «уточнения» выдерживаемых размеров при выполнении дополнительных проходов с «ручным» вводом коррекций, которые устанавливаются на основании накопленного опыта работы.

Проведенный на предприятиях высокотехнологичных отраслей промышленности экспертный опрос специалистов, показал, что наиболее распространенным (до 64%) способом повышения работоспособности при недостаточной прочности инструмента в условиях нестационарного резания является занижение по сравнению с нормативными значений подач, скоростей и глубин резания. Тем не менее, несмотря на существенное увеличение трудоемкости обработки, эти процессы, как правило, сопровождаются потерями по инструментальным расходам, браку и простоям дорогостоящего оборудования' с ЧПУ. Диктуемое условиями, производства обеспечение стабильности обработки на станках с ЧПУ предопределяет с учетом накопления повреждений инструмента необходимость эффективного управления процессами нестационарного резания. Это обуславливает разработку моделей и алгоритмов, а также способов и устройств для диагностики и управления с оперативным вводом коррекций одновременно по режимам резания и по траекториям движения формообразующего режущего инструмента (ФРИ), что при модернизации производства принципиально может быть реализовано с использованием станков, оснащенных современными системами ЧПУ.

Проведенный при выполнении диссертационной работы анализ показал, что комплексное решение актуальных задач современного высокотехнологичного машиностроительного производства может быть реализовано разрешением научной проблемы - максимального повышения производительности обработки жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ, обеспечиваемым разработкой методологии максимального (наиболее полного) использования ресурса режущего инструмента по критерию прочностности при совершенствовании теории и практики управления процессами его нагружения.

С учетом изложенного выше при выполнении диссертационной работы объектом исследований являются процессы накопления повреждений лезвий инструмента при нестационарном резании высокопрочных труднообрабатываемых материалов на станках с числовым программным управлением.

При этом, предметом исследования является нагружение, деформирование, разрушение режущих лезвий и изменение их геометрических параметров, а также взаимосвязь деформирования срезаемого слоя с нагружением инструмента силовыми и температурными контактными нагрузками при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ.

В процессе выполнения диссертационной работы для исследований напряженно-деформированного состояния режущей части инструмента из ме-таллокерамических твердых сплавов и инструментальных сталей созданы установки, а также отработан и применен метод лазерной нанометрии деформирования режущего инструмента (A.C. 1173179). Разработаны установки и методики лазерного сканирования прямолинейных и криволинейных лезвий режущего инструмента (A.C.1089539). Разработаны основанные на принципах мехатроники способы и устройства для оперативного определения непосредственно в процессе резания параметров деформирования срезаемого слоя по величине усадки стружки (Пат.2254210, Пат. 2311990). Использованы основные положения, методология и методы технологии машиностроения, теории резания и теории автоматического управления, теории конечных пластических деформаций, теории прочности, фрактографии и механики разрушений, вычислительной математики, математической обработки результатов экспериментов, компьютерного моделирования и программирования. Разработанные вычислительные алгоритмы и программы имеют оригинальное авторское содержание (Свид.ОРП 2003611797, 2003611798, 2007613348, 2008610386, 2008610387, 2008610388). Экспериментальные исследования и их технологическая привязка к условиям производства проведены в лабораториях ГОУ ВПО «ТюмГНГУ», а также на базе ОАО «Тюменские авиадвигатели», ОАО «Газтурбосервис», ОАО «Сибнефтегазмаш», ЗАО «Станкосервис» с использованием современных аттестованных приборов, методов и средств измерений.

Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы теоретическими решениями, базирующимися на положениях механики и теплофизики процессов резания, теории упругости, теории пластичности, механики деформируемого тела, физики оптических явлений. Принятые допущения получили мотивированное обоснование. Во всех необходимых случаях осуществлена экспериментальная проверка теоретических решений. При проведении экспериментальных исследований использована аттестованная измерительная техника. Достоверность и обоснованность теоретических выводов подтверждена данными производственных испытаний, а также экспериментальными данными, полученными лично соискателем и при его непосредственном участии.

Научная новизна. «Разработаны теоретические положения и научно обоснована методология обеспечения работоспособности инструмента на основе наиболее полного использования его ресурса по критерию циклической прочности в процессе точения жаропрочных сталей и сплавов.

• С использованием метода лазерной нанометрии деформирования инструмента непосредственно в условиях резания жаропрочных сталей и сплавов определены параметры деформирования, а также установлены закономерности распределения силовых и температурных деформаций и напряжений в режущем клине инструмента из инструментальных сталей и металлокерами-ческих твердых сплавов.

• С использованием метода лазерного сканирования установлен вид и экспериментально подтверждена адекватность моделей накопления повреждений, обусловленных разрушением лезвий инструмента в процессе точения жаропрочных сталей и сплавов. Получены зависимости параметров накопления повреждений от величин контактных напряжений и температур, а также числа циклов нагружения режущих лезвий.

• Научно обоснована, выдвинута и подтверждена результатами экспериментальных исследований гипотеза об условиях перехода от образования сливной к образованию суставчатой стружки при достижении конечных пластических деформаций удлинения в направлении текстуры стружки, формирующейся при резании. Создана кинематическая модель формирования суставчатой стружки, разработаны алгоритмы определения геометрических параметров образующихся при этом элементов. Это позволило схематизировать распределение напряжений, а также получить модели параметров контактного взаимодействия в зоне резания и на рабочих поверхностях лезвий твердосплавного инструмента при его циклическом нагружении.

• Установлено, что при оценке прочности инструмента напряженное состояние режущего лезвия в различных фазах формирования элементов суставчатой стружки описывается асимметричными циклами сложной системы напряжений. При этом работоспособность инструмента определяется удельной работой и относительным объемом разрушения его лезвий, а также кумулятивной функцией накопления повреждений Пальмгрена-Майнера, являющейся одновременно энергетической и вероятностной характеристикой прочности режущего инструмента.

• Предложена концепция прогнозирования; а также модель ресурса режущего инструмента' по критерию циклической прочности при нестационарном резании. Концепция основана на определении- допускаемого прочностью инструментального твердого сплава числа циклов нагружения; режущих лезвий с учетом установленной системы напряжений, действующих в режущем клине инструмента.

• Показано, что стабилизация деформирования срезаемого слоя обеспечивает постоянство контактных напряжений и температур на рабочих поверхностях инструмента в условиях нестационарного резания.

• Разработана модель интегрированной системы (ИСДУ), сочетающей диагностику процессов нагружения приводов станка с ЧПУ и элементов ТС с вводом комплекса коррекций при управлении обработкой. Предложены алгоритмы и программное обеспечение оперативного ввода коррекций одновременно в режимы резания и в траектории движения формообразующего режущего инструмента (ФРИ).

• Установлено; что разработанная методология управления, реализующая сочетание коррекций в наибольшей мере компенсирует погрешности, возникающие в ТС при нестационарном резании, и обеспечивает наиболее полное использование ресурса инструмента по критерию циклической прочности при максимальной производительности обработки жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ.

Практическая ценность работы заключается в разработке теоретического, методического и программного комплексов, сформированных для повышения эффективности лезвийной обработки. Практическую значимость имеет также использование установок, устройств и инструментов, обеспечивающих повышение эффективности обработки на станках с ЧПУ, для реализации которых:

• разработаны методы и устройства для определения параметров повреждений инструмента, позволяющие прогнозировать накопление и интенсивность разрушений лезвий режущего инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ (A.C. 1173179, A.C. 1089539);

• создана система диагностики деформирования срезаемого слоя на основе оперативного определения кинематической усадки, позволяющая при изменениях сечения срезаемого слоя, скорости и глубины резания, подачи и диаметра обработки, а также при накоплении повреждений режущих лезвий обеспечивать стабилизацию контактных напряжений и температур на рабочих поверхностях лезвий инструмента в условиях нестационарного резания при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ (Пат. 2009804, Пат. 2254210, Пат. 2311990);

• созданы конструкции сборного режущего инструмента, обеспечивающие повышение его работоспособности за счет рационального силового и температурного нагружения сменных режущих пластин (СРП), а также комплекс модулей для определения параметров процесса резания, состояния и диагностики отклонений расположения элементов ТС при их нагружении в процессе нестационарного резания (А.С.901844, А.С.1157601, Пат. 2009804, Пат. 2076017, Пат. 2235622 Пат. 2238825, Пат. 2240207, Пат. 2245226, Пат.2245228, Пат.2309818, Пат.2309819);

• предложен программно-аппаратный комплекс диагностики и управления обработкой, программные продукты для диагностики процесса резания и управления следящим и шаговым приводами исполнительных рабочих органов (ИРО) станков, реализующие при использовании систем числового программного управления класса PCNC (Personal Computer Numerical Control) интерполяцию и оперативный ввод коррекций в траектории движения формообразующего режущего инструмента (ФРИ) в процессе точения СПВ фасонных деталей из жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ (Свид.ОРП. 2003611797, 2003611798, 2007613348, 2008610386,2008610387,2008610388).

Реализация результатов работы. Диссертационная работа выполнялась в рамках комплексных программ: «АВИАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ», раздел 05.01 - «Методы механической обработки», а также «Общесоюзной целевой комплексной научно-технической программы О.Ц.ОП», раздел 09.01 АН СССР. В 2000 г. работа была поддержана грантом Минобразования РФ, а с 2001 г. разделы работы выполнялись при поддержке грантов Губернатора Тюменской области в соответствии с Региональной целевой программой «РАЗВИТИЕ ПРЕДПРИЯТИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ И МЕТАЛЛООБРА

БОТКИ». В 2003 году выполненные разработки были представлены в г. Москва на Всероссийском выставочном центре (ВВЦ) и отмечены дипломом IX-й Международной выставки научно-технических проектов «ЭКСПО - Наука 2003», а также медалью «ESI - Moskow 2003». Результаты исследований и разработки диссертации в соответствии с Региональной целевой программой внедрены на предприятиях Тюменской области, а именно: ОАО «ТЮМЕНСКИЕ АВИАДВИГАТЕЛИ», ОАО «ТЮМЕНСКИЕ МОТОРОСТРОИТЕЛИ», ОАО «ГРОМ», ОАО «Газтурбосервис», ОАО «Сибнефтемаш», ОАО «Сибтехмаш», ОАО «Нефтепроммаш», ОАО «СТАНКОСЕРВИС», ООО «Сибинструментсервис» и др. При изготовлении фасонных деталей авиадвигателей, турбин и деталей нефтегазового оборудования реализовано переоснащение токарных станков модернизированными системами ЧПУ класса PCNC и диагностическими модулями. Диагностика ТС и оперативный ввод коррекций по траекториям движения ФРИ и режимам резания реализованы с использованием специализированного программно-аппаратного комплекса. Реализовано точение СПВ фасонных деталей из жаропрочных сталей и сплавов, разработаны конструкции сборного режущего инструмента и системы оперативного ввода коррекций при управлении процессами нестационарного резания, что обеспечило наибольшую для конкретных условий производства эффективность обработки на станках с ЧПУ. Экономический эффект, подтвержденный актами внедрения результатов диссертационной работы в производство, составляет свыше 2.146.387 рублей.

Под руководством автора и с использованием основных положений его работы подготовлены и защищены кандидатские диссертации.

Результаты исследований используются в учебном процессе ГОУ ВПО «ТюмГНГУ» в виде 5-и учебных пособий, лекционных материалов, а также в курсовом и дипломном проектировании на выпускающих кафедрах машиностроительного профиля.

Автор выражает глубокую благодарность докторам технических наук, профессорам Артамонову Е. В., Ковенскому И. М., Утешеву М. X. и Шала-мову В. Г. за проявленное внимание, разностороннюю поддержку и ценные замечания по работе.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В1результате: выполненных, комплексных теоретических и экспериментальных исследований, а также внедрения? результатов исследований: в производство решенакрупная^имеющаяшажное: значение;.проблема максимального повышения?: производительности., обработки; жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ.

Актуальная научная проблема решена и поставленная цель достигнута на основе разработанных теоретических и методологических положений по управлению обработкой на станках с ЧПУ при наиболее полном использовании ресурса инструмента и максимальном повышении производительности обработки.

Наиболее полное использование ресурса инструмента по критерию циклической прочности при обработке жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ базируется на полученных решениях поставленных задач, а также следующих результатах исследований и выводах:

1. Установлено, что при точении жаропрочных сталей: и сплавов с образованием суставчатой стружки изменяется характер повреждений лезвий твердосплавного режущего инструмента. Преобладающим видом: отказов вместо изнашивания становится накопление повреждений в виде множественных усталостных и смешанных разрушений режущих лезвий. При оценке повреждений инструмента лазерное сканирование режущих лезвий (A.C. 10895390) обеспечивает определение геометрических параметров и получение моделей объема и площади образовавшейся при разрушениях поверхности, что позволяет определять интенсивность и энергию разрушений лезвий инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов.

2. Непосредственно при резании высокопрочных труднообрабатываемых материалов экспериментально с использованием лазерной нанометрии деформирования инструмента.(АС. 1173179) установлены закономерности распределения деформаций, напряжений и температур в режущем инструменте из инструментальных сталей и металлокерамических твердых сплавов, а также их взаимосвязь с параметрами деформирования срезаемого слоя в процессе нестационарного резания.

3. На основании выдвинутой гипотезы предложена концепция и модель перехода от образования сливной к образованию суставчатой стружки при достижении конечных пластических деформаций удлинения, в направлении формирующейся в процессе резания текстуры стружки. Создана кинематическая модель формирования суставчатой стружки, получены зависимости, позволяющие определять геометрические параметры образующихся при этом элементов.

4. В результате экспериментальных исследований при точении жаропрочных сталей и сплавов с образованием суставчатой стружки установлено распределение напряжений в зоне резания и распределение контактных напряжений на рабочих поверхностях лезвий инструмента при его циклическом нагружении. При этом подтверждено, что обобщающим параметром, характеризующим величины и соотношения контактных напряжений и температур на рабочих поверхностях лезвия инструмента является относительный сдвиг обрабатываемого материала. В условиях нестационарного резания это позволяет при неизменной геометрии лезвия и стабилизации кинематической усадки-стружки реализовать постоянство условий нагружения режущего инструмента (Пат. 2254210, Пат. 2311990) и тем самым обеспечивать надежность прогнозирования его работоспособности.

5. Показано, что режущий клин инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов с образованием суставчатой стружки нагружается асимметричными циклами сложной системы напряжений и его ресурс при стабилизации контактных нагрузок определяется числом циклов нагружения режущего лезвия. При этом в соответствии с разработанной концепцией, работоспособность инструмента определяется удельной работой и относительным объемом разрушений режущих лезвий, а также кумулятивной функцией накопления повреждений Пальмгрена - Майнера, сочетающей энергетическую и вероятностную характеристики критерия прочности.

6. Предложены модель и алгоритм управления, разработаны защищенные патентами на изобретения и свидетельствами об официальной регистрации программ ЭВМ устройства и программные продукты, для оперативной диагностики и стабилизации параметров деформирования срезаемого слоя (усадки стружки) путем оперативного ввода коррекций режимов резания (Сеид. ОРП. 2007613348, 2008610386, 2008610388). Это обеспечивает рациональное на-гружение и повышение работоспособности инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ в условиях нестационарного резания. Разработаны защищенные патентами на изобретения конструкции сборного инструмента, обеспечивающие в условиях нестационарного резания рациональное нагружение сменных режущих пластин (СРП) и повышение работоспособности твердосплавного инструмента при точении высокопрочных труднообрабатываемых материалов на станках с ЧПУ (A.C. 778940, Пат. 2076017, 2235622, 2240207, 2238825, 2245228, 2309819).

7. Разработаны, математические модели, алгоритмы и программное обеспечение ИСДУ, позволяющие с использованием PGNC реализовать диагностику деформирования срезаемого слоя, отклонений расположения элементов ТС, управление следящими приводами станков с ЧПУ (Сеид. ОРП. 2003611797, 2003611798), а также формирование и оперативный ввод коррекций в процесс обработки. На основании разработанных методологических положений установлено, что сочетанием оперативных коррекций одновременно по режимам резания- и по траекториям движения исполнительных рабочих органов станков достигается наибольшая точность формообразования сложных поверхностей вращения деталей в конкретных ТС. При этом также обеспечивается наиболее полное использование ресурса режущего инструмента по критерию циклической прочности при точении жаропрочных сталей и сплавов в условиях нестационарного резания на станках, оснащенных системами ЧПУ класса PCNC.

1. Аваков, А. А. Физические основы теории стойкости режущих инструментов Текст. / А. А. Аваков. М.: Машгиз, 1960.- 308 с.

2. Адаптивное управление станками Текст. / под ред. Б. С. Балакшина.- М.: Машиностроение, 1973. 688 с.

3. Адлер, Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий Текст. / Ю. П. Адлер, Е. В. Маркова, Ю. В. Грановский. М.: Наука, 1976.- 279 с.

4. Александров, А. Я. Поляризационно-оптические методы механики деформируемого тела Текст. / А. Я. Александров, М. X. Ахметзянов. М.: Наука, 1973.-576 с.

5. Андреев, Г. С. Исследование напряжений в рабочей части резца на поляриза-ционно-оптической установке с применением киносъемок / Г. С. Андреев // Вестник машиностроения. 1958. - № 5. - С.54 -57.

6. Армарего, И. Д. Обработка металлов резанием Текст. / И. Д. Армарего, Р. X. Браун. М.: Машиностроение, 1977. - 325 с.

7. Артамонов, Е. В. Сборный инструмент / Е. В. Артамонов, Ю. И. Некрасов, Н. И. Смолин // Машиностроитель.- М.,1984.- № 5.- С.32

8. Артамонов, Е. В. Напряженно-деформированное состояние и прочность режущих элементов инструментов: монография Текст. / Е. В. Артамонов, И. А. Ефимович, Н. И. Смолин, М: X. Утешев. М.: Недра, 2001.- 199 с.

9. Артамонов, Е. В. Прочность и работоспособность сменных твердосплавных пластин сборных режущих инструментов Текст. / Е. В. Артамонов. -Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. 192 с.

10. А. с. 778940 СССР, МКИ 023 В 27/16. Сборный резец / Е. В. Артамонов, Н. И. Смолин, Ю. И. Некрасов (СССР). № 2692663/25-08; Заявл. 06.12.78; Опубл. 15.11.80, Бюл. № 42.

11. А. с. 901844 СССР, МКИ 001 К 7/02. Устройство для измерения температуры / Ю. И. Некрасов, Е. В. Артамонов, И. А. Ефимович, В. С. Воронов (СССР). -№ 2884590/18-10; Заявл. 19.02.80; Опубл. 30.01.82, Бюл. № 4.

12. А. с. 948546 СССР, МКИ 023 В 27/16: Сборный резец / Е. В. Артамонов, Ю. И. Некрасов, Н. И. Смолин (СССР). № 3250286/25-08; Заявл. 25.02.81; Опубл. 07.08.82, Бюл. №29.

13. А. с. 1089539 СССР, МКИ в 02 В 27/17. Сканирующее утройство / Ю. И.

14. Некрасов, В; В. Долгушин, И. А. Еремеев (СССР). № 358891/18-10; Заявл. 08:02.83; Опубл. 30.04.84, Бюл. № 16:

15. А. с. 1143526 СССР, МКИ В23С 5/06. Режущий инструмент / И: А. Ефимович, Е. В. Артамонов, Ю. И. Некрасов (СССР). № 3629284/25-08; Заявл. 05.08.83; Опубл. 07.03.85, Бюл. № 9.

16. А. С. 1157601 СССР,- МКИ НО 1 КЗ* 5/00. Устройство для; электрической связи между неподвижным и вращающимся объектами / Ю. И: Некрасов, Е. В. Артамонов, И. А. Ефимович (СССР). №3573114/24-07; Заявл. 04.04.83; Опубл. 23.05.85, Бюл. № 19.

17. А. с. 1173179 СССР, МКИ 001В 11/16. Способ исследования деформации материалов в процессе снятия стружки резанием / Е. В. Артамонов, Ю. И. Некрасов, И. А. Ефимович (СССР). № 3588086/25-08; Заявл. 08.02.83; Опубл. 15.08.85, Бюл. № зо.

18. Афанасьев, Н. Н. Статистическая теория усталостной прочности Текст. / Н. Н. Афанасьев. Киев: изд-во АН УССР, 1953. - 128 с.

19. Базров, Б. М. Адаптивное управление станками Текст. / Б: М1 Базров. М.: -М.: Знание, 1975.- 57 с.

20. Базров, Б. М. Технологические основы проектирования самопод-настраивающихся станков Текст. / Б. М. Базров. М.: Машиностроение, 1977.-217 с.

21. Банков, В. Д. Решение траекторных задач в микропроцессорных системах ЧПУ Текст. / В. Д. Байков, С. Н. Вашкевич; под ред. В. Б. Смолова. JL: Машиностроение, 1986. - 106 с.

22. Бакуль, В. Н. Алмазная обработка и прочность твердых сплавов Текст. / В. Н. Бакуль, М. Г. Лошак, Ф. П. Смагленко // Синтетические алмазы ключ к техническому прогрессу:сб. ст.; Ч. 1. - Киев.: Наукова думка, 1977. - С. 114 -118.

23. Безлепкин, В. В. Эксплуатация технологических машин Текст.: учебное пособие / В. В. Безлепкин. М.: Станкин, 1996. - 241 с.

24. Безъязычный, В. Ф. Оптимизация технологических условий механическойобработки деталей авиационных двигателей Текст. / В. Ф. Безъязычный, Т. Д., А. В. Константинов. М.: МАИ, 1993. - 184 с.

25. Беляев, М. С. Надежность и долговечность машин Текст. / М. С. Беляев. -Техника, 1973,- 120 с.

26. Бетанели, А. И. К общению метода расчета прочности режущей части инструмента / А. И. Бетанели // Вестник машиностроения: 1965.- № 2. - С. 16-18.

27. Бетанели, А. И. Прочность и надежность режущего инструмента Текст. / А, И. Бетанели. Тбилиси: Сабчота Сакартвело, 1973. - 302 с.

28. Бобров, В. Ф. Определение напряжений в режущей части металлорежущих инструментов Текст. / В. Ф. Бобров // Высокопроизводительное резание в машиностроении: сб. ст. М., 1966. - С. 233-228.

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

30. Бойцов, Б. В. Прогнозирование долговечности напряженных конст- рукций Текст. / Б. В4. Бойцов. М.: Машиностроение, 1985. - 231 с.

31. Болотин, В. В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций Текст. / В.

32. B. Болотин. М.: Машиностроение, 1984. - 311'с.

33. Вальков, В. Н. Контроль в ГАП Текст. / В. Н. Вальков. Л.: Машиностроение, 1986. - 232 с.

34. Васильев, Д. Т. Силы на режущих поверхностях инструмента / Д. Т. Васильев // Станки и инструмент. 1954. - № 4. - С. 31-33.

35. Васильев, Д. Т. Системы автоматического регулирования и управления Текст. / Д. Т. Васильев, В. Г. Чуич. М.: Высшая школа, 1967. - 417 с.

36. Васин, С. А. Резание материалов. Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании Текст.: учебник для техн. вузов / С. А. Васин, А.

37. C. Верещака, В. С. Кушнер. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. -448 с.

38. Вейбулл, В. Усталостные-испытания и анализ их результатов Текст. / В. Вейбулл; под ред. С. В. Серенсена; пер. с англ. Т. А. Бекш и Е. С. Муслина.- М.: Машиностроение, 1964. 257 с.

39. Великанов, К: М. Экономичные режимы резания металлов Текст. / К. М. Великанов, В. И. Новожилов. М.: Машиностроение, 1972. - 120 с.

40. Вентцель, Е. С. Теория вероятностей Текст. / Е. С. Вентцель. М.: Наука, 1969.-263 с.

41. Верещака, А. С., Исследование теплового состояния режущих инструментов с помощью многокомпозиционных термоиндикаторов / А. С. Верещака, М. В. Провоторов, В. В. Кузин // Вестник машиностроения. 1986. - № 1. -С. 45 - 49.

42. Верещака, А. С. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями Текст. / А. С. Верещака, И. П. Третьяков. М.: Машиностроение, 1986. -192 с.

43. Верещака, А. С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями Текст. / А. С. Верещака. М.: Машиностроение, 1993. -198 с.

44. Вестфаль, А. Н. Расчет термических напряжений в режущем клине инструмента / А. Н. Вестфаль // Надежность режущего инструмента сб. ст. / Киев, 1975,- С. 78-82.

45. Виноградов, А. А. Связь напряжений сдвига при резании с механическими характеристиками обрабатываемого металла / А. А. Виноградов // Сверхтвердые материалы. 1981. - № 2. - С. 47-51.

46. Виноградов, А. А. Определение оптимальной скорости резания по коэффициенту усадки стружки / А. А. Виноградов // Станки и инструмент. 1991. - № 7. - С. 32-33.

47. Виноградов, А. А. Физические основы процесса сверления труднообрабатываемых металлов твердосплавными сверлами Текст. / А. А. Виноградов.- Киев. Наукова думка, 1992. - 186 с.

48. Владимиров, В. И. Физическая природа разрушения металлов Текст. / В. И. Владимиров. М.: Металлургия, 1984. - 280 с.

49. Волков, С. Д. Статистическая теория прочности Текст. / С. Д. Волков. -Свердловск: Машгиз, 1960. 176 с.

50. Вычислительные методы в механике разрушения Текст. / пер.с англ.; подред. С. Атлури. М.: Мир, 1990. - 392с.

51. Гнеденко, Б. В. Курс теории вероятностей Текст. / Б. В. Гнеденко. М.: Наука, 1969. - 400 с.

52. Гордеева, Т. Д. Анализ изломов при оценке надежности материалов Текст. / Т. Н. Гордеева, И. П. Жегина. М.: Машиностроение, 1978. -200 с.

53. ГОСТ 25.101 83. Расчеты и испытания на прочность. Методы схематизации случайных процессов нагружения элементов машин и конструкций и статистического представления результатов / М., 1983. - 205 с.

54. ГОСТ 25.507 85. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы испытаний на усталость при эксплуатационных режимах нагружения /-М., 1985.-321 с.

55. Грановский, Г. И. О стойкости инструмента как исходном параметре для расчета режимов резания / Г. И. Грановский // Вестник машиностроения. -1965. № 8. - С. 59- 64.

56. Гречишников, В. А. Системы проектирования режущих инструментов Текст. / В. А. Гречишников. М.: ВНИИТЭМР, 1987. - №2. - 52 с.

57. Грищенко, Ю. Ф. О надежности металлорежущего инструмента Текст. / Ю.Ф. Грищенко // Труды МИНХ и ГП им. Губкина. Выпуск 81. - М., 1968. - С. 138-141.

58. Громадка, Ц. Т., Лей Ч. Комплексный метод граничных элементов в инженерных задачах Текст. / Ц. Т. Громодка, Ч. Лей.; пер.с англ. М.: Мир, 1990. - 303 с.

59. Грубый, С. В. Физическое моделирование процесса изнашивания твердосплавных резцов / С. В. Грубый // Справочник. Инженерный журнал. -2002.-№2.-С. 37-43.67