автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Разработка научно-методической базы повышения эффективности процессов абразивной обработки на основе многофакторной оценки обрабатываемости материалов

На правах рукописи

Дьяконов Александр Анатольевич

РАЗРАБОТКА НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКОИ БАЗЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ МНОГОФАКТОРНОЙ ОЦЕНКИ ОБРАБАТЫВАЕМОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Специальности:

05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

г 8 МАР 2013 005051172

Орёл-2013

005051172

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет).

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

Кошин Анатолий Александрович.

Официальные оппоненты: Волков Дмитрий Иванович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева», заведующий кафедрой «Резание материалов, станки и инструменты» имени С.С. Силина; Гречишников Владимир Андреевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН», заведующий кафедрой «Инструментальная техника и технология формообразования»; Султан-Заде Назим Музаффарович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет», профессор кафедры «Технологии металлорежущих систем автомобилестроения ».

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет», г. Ульяновск.

Защита состоится 26 апреля 2013 г. в 14— часов на заседании диссертационного совета Д 212.182.06 при ФГБОУ ВПО «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс» по адресу: 302020, г. Орёл, ул. Наугорское шоссе, д. 29, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Государственный университет — учебно-научно-производственный комплекс».

Автореферат разослан «_£» ¿ХЗ_2013 г.

Ученый секретарь //

диссертационного совета Василенко Юрий Валерьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Отсутствие определения термина «обрабатываемость» в нормативных документах привело к большому количеству, зачастую противоречивых, его различных формулировок и критериев оценки. В большинстве случаев под обрабатываемостью понимают способность (свойство) материала подвергаться обработке. Однако, целью любого процесса резания является не просто снять металл, а произвести удаление заданного припуска при обеспечении технологических требований по качеству, точности обработки и т. д., выполнение которых напрямую связано с той или иной степенью обрабатываемости материала. Поэтому разными исследователями к формулировке обрабатываемости добавлялся критерий ее определения, например, обрабатываемость по шероховатости поверхности, обрабатываемость по стойкости инструмента и т. д. Данная ситуация привела к еще большей понятийной неопределенности, а учитывая, что для современного машиностроения характерно постоянное увеличение количества требований к качеству поверхностного слоя, точности обработки и т. д., термин обрабатываемости в том виде в котором он присутствует не отражает физической сущности характеризуемого им процесса. Поэтому необходимо рассматривать обрабатываемость не просто как сугубо свойство материала при определенном технологическом ограничении, а как комплексный технологический фактор, т.е. ввести термин технологической обрабатываемости материала и разработать единый критерий ее оценки.

Обрабатываемость дает исходную информацию для оценки необходимых технологических и производственных ресурсов на обработку материала, что определяет сроки выполнения технологии, потребное количество оборудования и другие организационные и экономические показатели производства. В итоге, обрабатываемость материала, еще на стадии технической подготовки предопределяет экономическую эффективность производства и является важнейшим показателем уровня требуемых инвестиций и будущей эффективности производства.

Масштабность обрабатываемости для машиностроения в целом подтверждает тот факт, что в России до 1991 года, при ее плановой экономике, обрабатываемость была положена в основу государственной системы нормирования технологий. При Государственном комитете по труду и социальным вопросам существовало Центральное бюро нормативов по труду (ЦБНТ), включающее НИИ Труда. Эта организация занималась сбором информации по организации технологических процессов (ее отдел по машиностроению), ее статистической обработкой и отработкой методик эффективного представления рекомендаций для проектирования технологий на новые производства.

Завышенная, так и заниженная оценка обрабатываемости, приводит к той или иной форме экономических потерь. Если реальная обрабатываемость материала оказывается выше, т.е. материал обрабатывается лучше, это приведет к недоиспользованию технологического потенциала проектной технологии, т.е. закладывается излишнее количество единиц оборудования или заниженные режимы обработки и т. д. Противоположная ситуация - ошибочная оценка обрабатываемости является завышенной, т.е. физически материал обрабатывается хуже, приведет к срыву всей проектной технологии вследствии введения дополнительных единиц оборудования, перезагрузке производства и т. д. Поэтому, задача разработки методики достоверной оценки обрабатываемости материала имеет важное хозяйственное значение.

Существующие в современных справочниках группы обрабатываемости и соответствующие им коэффициенты разработаны на базе опыта предприятий и стати-

стической его обработки. Однако коэффициенты, заданные для группы обрабатываемости, являются усредненными рекомендациями, а следовательно, и загубленными. Этот факт усиливается еще одним важным обстоятельством, при появлении новых марок материалов их интуитивно включали в определенную группу обрабатываемости без какой-либо производственной апробации.

С другой стороны, в настоящее время в машиностроении происходят преобразования, связанные с внедрением: совершенно нового оборудования, которое характеризуется постоянной интенсификацией скоростей приводов рабочих движений станков; прогрессивного режущего инструмента и т. д., что существенно повышает требования к технологическим рекомендациям.

Таким образом, противоречие между внедрением в производство нового оборудования, режущего инструмента и т. д., с одной стороны, и недостатками существующих технологических рекомендаций, базирующихся на группах и коэффициентах обрабатываемости материалов, неправильное определение которых приводит к существенным экономическим потерям, с другой стороны, наряду с постоянным увеличение количества требований к качеству поверхностного слоя, точности обработки и т. д., определяет крупную научную проблему, которая имеет важное хозяйственное значение для машиностроения. Решение этой проблемы возможно на основе разработки методики расчетного определения технологической обрабатываемости материалов.

Актуальность разработки методики расчетного определения технологической обрабатываемости усиливается еще одним обстоятельством. Современное материаловедение и технологии создания конструкционных материалов достигли такого уровня, что нередко создается материал под задачу, т.е. технологи имеют материал, для которого известны только его свойства. Здесь единственный путь — расчетное определение обрабатываемости.

Данная работа посвящена разработке методики расчетного определения обрабатываемости в процессах абразивной обработки, вследствие их большого удельного веса в общей номенклатуре видов механической обработки (в современном машиностроении применяются более 70 видов абразивной обработки, а парк станков занимает 21,6 % от общего объема), и предъявляемым к ним более жестким требованиям по качеству поверхностного слоя, точности обработки и т. д.

Данная работа выполнялась в рамках:

- задания Рособразования на проведение фундаментальных научных исследований: № 01201000749, тема: «Имитационное стохастическое моделирование процессов высокоскоростной механической обработки на базе технологий параллельных вычислений», 2010-2011 гг.; № 7.4079.2011, тема: «Теория механического и физико-химического взаимодействия абразивного и обрабатываемого материала в процессах абразивной обработки», 2012- по наст, время.

- грантов Правительства и Губернатора Челябинской области;

- программы воспроизводства кадрового потенциала ЮУрГУ (НИУ).

Цель работы. Разработка методики расчетного определения обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки и создание на ее базе научно-обоснованных инженерных рекомендаций.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Формирование понятия и критерия оценки обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки.

2. Систематика видов и наладок процессов абразивной обработки и разработка обобщенных параметров процесса.

3. Разработка обобщенной пространственной стохастической теплофизической модели процессов абразивной обработки, учитывающей особенности свободного и несвободного резания, а также обратной нелинейной связи процесса по темпера-турно-скоростной прочностной характеристике обрабатываемого материала.

4. Разработка стохастической силовой модели процессов абразивной обработки, учитывающей переменность температуры в зоне контакта и интенсивность сопротивления материала деформации.

5. Разработка теории и комплекса методик расчетного определения обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки.

6. Практическое применение разработанной теории обрабатываемости.

Научная новизна

1. Установлены физические взаимосвязи между обрабатываемостью материала, видом абразивной обработки, технологическими ограничениями и параметрами технологической системы. Введено понятие и разработана формальная теория технологической обрабатываемости на основе предложенного математического представления технологической обрабатываемости.

2. Разработана научная база повышения эффективности абразивной обработки и сокращения сроков технологической подготовки производства на основе расчетного определения обрабатываемости материала в широком диапазоне скоростей, температур и сил резания с учетом ограничений по качеству поверхностного слоя, создан математический аппарат моделирования и прогнозирования технологической обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки.

3. Разработана теплофизическая и силовая модель, постановка и реализация которых впервые базируется на независимом учете всех пространственных перемещений абразивного инструмента и заготовки. Это впервые позволило вскрыть физическую природу изменения технологической обрабатываемости материала в разных видах и наладках абразивной обработки, установить и обосновать новые закономерности формирования температурного поля и силы резания, составляющих основу управления технологическими ограничениями по точности и ограничениями, имеющими тепловую природу в математическом аппарате прогнозирования технологической обрабатываемости материалов.

4. Разработана методология многофакторной относительной и абсолютной оценки технологической обрабатываемости материалов, состоящая из комплекса методик, позволяющих рассчитать значения эффективных технологических параметров обработки по известным или определяемым теплофизическим и механическим характеристикам материалов.

Практическая ценность

1. На основе методологической базы последней редакции общемашиностроительных нормативов, где режимы резания назначаются по двум ограничениям - точности и бесприжоговости обработки, проведена относительная оценка технологической обрабатываемости (относительно стали 45), в итоге которой установлено наличие родственных по обрабатываемости видов (наладок) абразивной обработки, в результате которых для 48 видов (наладок), разработано 14 шкал технологической обрабатываемости.

2. Разработан алгоритм САЕ-модуля, в автоматизированном цикле расчетным путем определяющий значение абсолютной технологической обрабатываемости.

3. На основе имитационной стохастической модели температурного поля зоны шлифования разработан программный модуль «Пространственная многокритериальная теплофизическая модель процессов абразивной обработки», реализованные средствами технологии параллельного программирования для высокопроизводительных кластерных систем.

4. Стохастическая модель силы резания программно реализована в виде имитационного расчетного модуля «Force sigma», который основе технологии параллельного программирования адаптирован для работы на высокопроизводительных кластерных системах.

Внедрение результатов работы

1. Результаты работы по группам обрабатываемости, оформленные в виде справочника «Абразивная обработка: наладка, режимы резания» и руководящего технического материала (РТМ) «Дифференцированные шкалы обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки», прошли успешную апробацию и приняты к эксплуатации на ряде машиностроительных, автомобилестроительных и аэрокосмических предприятиях Российской Федерации. РТМ также включен в качестве дополнения к существующему справочнику «Режимы резания на работы, выполняемые на шлифовальных и доводочных станках с ручным управлением и полуавтоматах».

2. Разработанный алгоритм, в автоматизированном цикле расчетным путем определяющий значение абсолютной технологической обрабатываемости, принят к внедрению группой компаний «ADEM» для реализации CAE-модуля технологического назначения в составе системы сквозного проектирования ADEM CAD/CAM/CAPP и РТМ в виде баз данных по группам и коэффициентам обрабатываемости материалов, применяемых при нормировании операций абразивной обработки в модуле ADEM NTR.

Достоверность результатов работы. Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций подтверждена сравнением расчётных данных, полученных с использованием разработанных математических моделей, с результатами экспериментальных исследований и данными, полученными в условиях производства, с применением оборудования, прошедшего метрологическую аттестацию.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научно-технических конференциях в ЮУрГУ (2004—2012 гг.), международных, всероссийских конференциях и семинарах (г. Волжск - 2004 г., г. Белгород - 2004 г., г. Аша - 2005 г., г. Тольятти - 2008, 2009 гг., г. Тамбов - 2008, 2009, Москва -2008-2011 гг., г. Екатеринбург - 2009 г., г. Уфа - 2010 г., г. Новосибирск - 2009 г., г. Санкт-Петербург - 2010 г., г. Воронеж - 2010 г., г. Орёл - 2010-2012 г., г. Магнитогорск - 2010-2012 г., WZL RWTH, Aahen - 2011 г.). Результаты работы прошли промышленную апробацию.

Публикации по теме. По теме работы опубликовано 96 печатных работ, в том числе 17 из них по списку ВАК, 3 монографии, патент на изобретение и полезные модели, свидетельства о регистрации программ для ЭВМ, отчеты по выполнению НИР, научные статьи, доклады на всероссийских и международных конференциях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, основных результатов и выводов, списка литературы (335 наименования) и четырех приложений. Работа изложена на 386 страницах машинописного текста, включает 87 рисунков и 78 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Теоретические предпосылки работы

Анализ работ К.А. Зворыкина, A.A. Брикса, В.А. Кривоухова, И.Я. Айзенштока, Т.Н. Лоладзе, H.H. Зорева, Д.Т. Блека, В.А. Кудинова, В.А. Гречишникова, A.A. Ко-шина, Н.М. Султан-Заде и др. показывает трудности практического применения кинематических моделей движения режущего клина для расчетной оценки сопротивляемости обрабатываемого материала резанию при лезвийной обработке, т.е. его обрабатываемости.

Для абразивной обработки эта задача структурно усложняется. Сопротивление продвижению шлифовального круга в целом здесь формируется более сложным механизмом, нежели в лезвийной обработке.

На основе анализа работ Г.В. Бокучавы, Д.И. Волкова, Н.И. Волского, Л.А. Глейзера, С.Н. Корчака, A.A. Кошина, Г.Б. Лурье, E.H. Маслова, Н. Ernst, F. Bulger, D. Smith, D. Lorenz, O.S. Eyada, E. Gorzkovski и др. установлено, что методологической базой для описания этого механизма являются две, фундаментальные для теории абразивной обработки, работы: Л.А. Глейзер - «О сущности круглого шлифования»;

С.Н. Корчак - «Производительность процесса шлифования стальных деталей».

Л.А. Глейзер на качественном уровне показал, что любой процесс абразивной обработки является процессом множественного микрорезания единичными абразивными зернами, когда каждое режущее зерно оставляет риску на поверхности заготовки, и съем припуска есть результат последовательного наложения рисок.

С.Н. Корчак эти положения развил на механизм контактно-силового взаимодействия круга с заготовкой в зоне шлифования. Им впервые установлено, что в момент врезания очередного зерна температура металла в зоне шлифования остается высокой в результате работы предшествующих зерен, т.е. работа зерна происходит в среде нагретого металла и, следовательно, сопротивляемость обрабатываемого материала (и тепловыделение на данном зерне) определяется по прочностной темпера-

турно-скоростной характеристике = /(e, è, U) для данной температуры.

Таким образом, имеется нелинейная обратная связь тепловыделения на режущем абразивном зерне через его прочностную температурно-скоростную характеристику с остаточной температурой материала заготовки, в который врезается данное зерно.

Для реализации этой обратной связи С.Н. Корчаком предложена нелинейная одномерная детерминированная температурная модель, которая описывает распределение температур по глубине поверхностного слоя заготовки в любое время (в зоне шлифования) с учетом остаточной температуры, «наследственно» полученной от действия ранее работавших зерен - температуры самоподогрева.

В результате получается следующая схема расчетной оценки сопротивления обрабатываемого материала продвижению шлифовального круга, движущегося по поверхности заготовки со скоростью К) (точнее, движется его пятно контакта, т.е. зона шлифования):

1) сила сопротивления продвижению круга (сила шлифования) Рш определяется суммированием всех сил резания от режущих абразивных зерен, которые в данный момент находятся в зоне шлифования и движутся по ней относительно материала заготовки со скоростью VK ;

2) сила резания от режущих абразивных зерен Р3 определяется по какой-либо модели, например, кинематической;

3) при расчете силы резания на зерне учитывается, что сопротивляемость материала продвижению этого зерна берется из его прочностной температурно-

скоростной характеристики ст,. =/(е, ё, £/с) для температуры, которую имеет материал в момент врезания в него этого зерна (температуры самоподогрева материала в точке врезания зерна);

4) расчет температуры самоподогрева материала lf в точке врезания зерна.

В символьном виде эти задачи можно обозначить следующим образом:

л =/(*,=/(е. ¿> ■••)'■

с,,=/(г, 8, СГ),...).

Итак, имеем два этапа:

— определение сил резания на зерне (с учетом обратной связи по температуре самоподогрева и = /(е, ё, ));

- суммирование сил резания от всех зерен, находящихся в зоне шлифования в данный момент.

Для режущих абразивных зерен (в зоне сдвига у зерна), два фактора прочностной характеристики ü, =

У(е, Ё, t/C)

обрабатываемого материала являются не варьируемыми. Многочисленными экспериментами установлено, что степень деформации £, определяемая геометрией режущего клина, практически одна для всех видов шлифования и составляет £ = 4.

В соответствии с набором типовых скоростей шлифования - 35, 50, 80 м/с скорость деформации е, определяемая, в основном, скоростью продвижения клина (VK), варьируется дискретно.

Основным варьируемым фактором в прочностной характеристике обрабатываемого материала =/(е, ё, £/с) тогда остается температура деформации. Но, пренебрегая термодинамикой в зоне резания абразивного зерна (это делается пока во всех моделях лезвийной обработки), можем считать ее константой для конкретного зерна, равной температуре обрабатываемого материала в момент врезания в него данного абразивного зерна. Но тогда этот фактор является внешним для модели резания абразивным зерном, а параметры е, 8 прочностной характеристики обрабатываемого материала — константами.

Это обстоятельство позволяет использовать для оценки силы резания на абразивном зерне какую-либо из эмпирических или полуэмпирических формул теории резания, предложенную, например - E.H. Масловым, Д.Г. Евсеевым, А.Н. Сальниковым, А.Н. Резниковым, С.С. Силиным, С.Н. Корчаком, A.A. Кошиным, Л.Н. Филимоновым, S. Malkin, А. Di Ilio, А. Paoletti, D. D'Addona и др.

В итоге в определении силы шлифования ключевой стала третья задача схемы контактного взаимодействия, для решения которой применимы только модели температурного поля заготовки, построенные на схеме дискретного контакта. Такие модели в детерминированной постановке получены в работах С.Г. Редько, С.Н. Корча-

ка, A.A. Кошина, В.И. Островского, В.И. Клочко, D. Scuratov, P. Fernandez de Cordoba, J.F. Urchuegua

В результате, схема контактного взаимодействия и имеющиеся детерминированные температурные модели If показывают направление создания модели обрабатываемости в процессах абразивной обработки и поэтому могут служить теоретической предпосылкой настоящей работы.

Для создания рабочей модели обрабатываемости надо учесть все характерные, концептуальные особенности процессов абразивной обработки.

В соответствии с положениями ДА. Глейзера, С.Н. Корчака и современными результатами исследований в этой области, полученными A.B. Королевым, В.И. Кур-дюковым, Ю.К. Новоселовым, Rajendra К. Jain, Т.А. Nguyen, D.L. Butler, D.V. De Pellegrin и др., следует выделить главные особенности, предопределяющие суть процессов шлифования: наложение силовых и тепловых воздействий от режущих зерен; нелинейная обратная связь по температурной прочностной характеристике обрабатываемого материала; стохастичность процесса.

Именно эти особенности и составляют предмет разработки рабочей модели обрабатываемости в процессах абразивной обработки.

Таким образом, работы Л.А. Глейзера, С.Н. Корчака и современные результаты исследований особенностей процессов абразивной обработки дают принципиальную возможность сформировать гносеологическую модель данного процесса, которая позволит расчетным путем производить оценку сопротивляемости продвижения круга в целом при известных прочностных свойствах обрабатываемого материала.

Технологическая обрабатываемость материалов в процессах абразивной обработки

Собственным показателем обрабатываемости является сопротивляемость материала разрушению — резанию, который выражается прочностной температурно-

скоростной характеристикой 0, =/(£> и ).

В технологии машиностроения процесс разрушения материала резанием двунаправленный. С одной стороны, необходимо эффективно разрушить слой снимаемого материала, а с другой, обеспечить заданное качество. Поэтому на практике на понятие обрабатываемости материала всегда накладываются ограничения по требованиям качества, сдерживающие производительность.

Большой набор ограничений, накладываемый на процесс, приводит к парадоксальной ситуации в отношении понятия обрабатываемости. Существует несоответствие между процессом абразивной обработки, который должен рассматриваться при выполнении набора ограничений и понятием обрабатываемости, которое неразрывно связано с самим процессом, но характеризует лишь способность материала поддаваться обработке.

Таким образом, приходим к следующей схеме формирования обрабатываемости (рис. 1), реально отражающей суть данного понятия для технологии машиностроения.

Согласно этой схеме можно дать следующую формулировку понятия технологической обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки.

Технологическая обрабатываемостью материалов в процессах абразивной обработки - сопротивляемость материала разрушению (резанию) при обеспечении всех технологических ограничений и требований к обработанной поверхности заготовки.

-»|прижоги

Собственная обрабатываемость

материала Сопротивляемость материала резанию

а. = Г (є,є,и)

+

Технологические ограничения

Остаточные напряжения

Шлифовочные трещины

Съем

Износ

инструмента

Точность обработки

Микротве-рлость

Наклеп

Шероховатость

Волнистость

Предел

выносливости

Технологическая обрабатываемость материала

Рис. 1. Схема формирования технологической обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки

Исходя из основных требований, предъявляемых к готовой детали, сформирован комплекс технологических ограничений и параметров управления, в зависимости от которого предлагается рассматривать технологическую обрабатываемость в процессах абразивной обработки (2). Ограничение

Температура

Градиент температуры

Сила резания

Съем материала

Затупление абразивного зерна

Остаточное макронапряжение 1-го рода

Остаточное макронапряжение 2-го рода

Остаточное макронапряжение 3-го рода

Глубина остаточных напряжений

Глубина наклепа

Степень наклепа

Градиент наклепа

Микротвердость поверхностного слоя Энергия фазовых и структурных превращений

Шероховатость поверхности Высота волнистости поверхности Средний шаг волнистости поверхности Предел выносливости

=>

=> => => => => =>

=> => => =>

=> =С>

Функция

и = ^(РР, ¿С;ШК;1;...)

Р = ґ3(РР,і;С;ШК;1;...) Сг = ґ4(РР,.І;С;ІІІК;1;...) І, =Г5(РРи;С;ШКа;...)

<*"о„ = ?7<рр; І;С;ШК;1;...)

=ґ,(рри;С;ШК;1;...) = ^„(РР;І;С;ШК;1;...) ВІ = Г„(РР;ІС;ШК;І;...) gradhн = ґ12(РР;^С;ШК;1;...) Н = Ґ13(РР;ІС;ШК;І;...) е = Г,4(РР;і;С;ШК;і;...) ІІа = Г15(РР;.і;С;ШК;1;...) шг=Г16(РР;і;С;ШК;1;...)

= ґ,7(РР;і;С;ШК;1;...) ст., = Г,8(РР;ІС;ШК;1;...)

(2)

В результате, математически понятие технологической обрабатываемости и ее структурное представление (см. рис. 1) выражается системой (2), рассматриваемой, как система неравенств (не превышение предельных значений ограничений -Unp, Рцред- и т. д.) для функций технологических ограничений.

Для решения данной системы неравенств, т.е. поиска значений искомых параметров, необходимы соответствующие математические модели по каждому технологическому ограничению.

Систематика процессов абразивной обработки

Теоретические предпосылки показали, что собственная обрабатываемость материала предопределяется теплофизикой процесса резания, а поскольку все тепловые явления происходят в пятне контакта шлифовального круга с обрабатываемой поверхностью заготовки, то для решения вопросов моделирования обрабатываемости целесообразно провести систематику видов абразивной обработки по их конфигурации.

В качестве критериев систематики приняты - количество одновременно обрабатываемых поверхностей (и=1, 2, ... т), схема резания (свободное, несвободное), геометрическая форма пятна контакта, количество зон в пятне контакта (¡=1, 2, ... _/) и технологические параметры управления рассматриваемого процесса абразивной обработки.

Анализируя полученные данные, произведена формализация процессов абразивной обработки по данным критериям, что в результате позволило перейти от 54 видов и наладок абразивной обработки к 6 типовым формам пятна контакта, которые будут являться базой для разработки математических моделей технологической обрабатываемости материалов.

Стохастическая имитационная модель теплофизики зоны шлифования

Постановка задачи

Решение тепловой задачи составляет базу для расчетного определения силы резания от шлифовального круга в целом. Поэтому необходимо определить распределение температур самоподогрева в зоне шлифования, в любой заданный момент времени.

Для этого нужно обеспечить два основных условия:

- рассматривать задачу в неподвижной системе координат (системе координат станка) при независимом учете всех координат;

- независимый учет каждой из подач - кинематических параметров управления, т.к. они определяют схему резания, топологию зоны контакта и т. д., и даже при их малом значении относительно скорости резания принципиально меняют механику и кинематику процессов в зоне шлифования.

Такие требования приводят к необходимости постановки и решения трехмерной тепловой задачи, где применяемые до настоящего времени методы теории быстродвижущихся источников, предложенной академиком H.H. Рыкалиным, теряют свою работоспособность.

Принципиальная схема процессов абразивной обработки

В общем виде, концептуально, любой процесс абразивной обработки можно представить следующим образом. Заготовка - полупространство с заданными те-плофизическими и механическими свойствами движется относительно неподвиж-

ной системы координат ХУ2 параллельно плоскости АХ) У со скоростью Ук=( Ух\ Уу). По поверхности полупространства движется развертка шлифовального круга со скоростью Ук, касаясь его по некоторому пятну контакта, которое является зоной шлифования. Зерна шлифовального круга, осуществляющие дискретное множественное микрорезание, попадая в зону шлифования, становятся тепловыми источниками, инициируя нагрев материала заготовки.

Для математической реализации такой многофакторной расчетной схемы применен известный методический подход к решению сложных задач - декомпозиция.

В нашем случае предлагается следующая декомпозиция:

- теплоперенос - пренебрегая сложнейшей структурой теплоподвода, в зоне шлифования вводится обобщенный сплошной тепловой источник интенсивностью 5с, что приводит ко второй краевой задаче для уравнения теплопроводности в подвижной среде;

- кинематика и дискретность теплового источника — абразивные зерна перемещаются со скоростью Ук относительно зоны шлифования, каждый единичный тепловой источник - абразивное зерно имеет свою интенсивность тепловыделения qi, в соответствии с которой формируется температурное поле от воздействия данного единичного источника - зерна;

- форма пятна контакта - если разрешить иметь внутри пятна контакта зоны разных законов распределения интенсивностей единичных тепловых источников <7„ приходим к единой форме пятна контакта - криволинейный четырехугольник с зонами интенсивностей

- дифференциация тепловых источников - абразивные зерна разделяются на режущие и трущие (давящие) абразивные зерна, работающие в разных зонах -интенсивного резания и выхаживания.

Такая обобщенная математическая постановка позволяет впервые учесть, как свободное, так и несвободное резание, за счет введения локальных зон разной интенсивности теплового источника.

По аналогии с функцией Грина в работе введена функция влияния единичного теплового источника - абразивного зерна. С помощью этой функции через интегральные преобразования формируется решение, справедливое для любой области.

Для определения температурного поля в зоне контакта от воздействия множества тепловых источников - зерен, произведено суммирование теплоты, сформированной каждым из единичных тепловых источников - зерен, т.е. суммирование их функции влияния (4).

Интегральное решение

V

ґ

ег/ ^ +

14х

НЛ0І | ух4Чу

2х

4чч

I

[я (Е.-е. <7,-:,)

С

I

ч,

х

и,

Т

Т

=/+1

Рис. 2. Учет нелинейной обратной связи

где х - температуропроводность материала; /„ - начальное время действия теплового источника; / - текущее время; X - теплопроводность материала; 1Х, 1У - координаты источника в зоне пятна контакта; кх, /?,, - длина, ширина теплового источника.

Учет обратной связи по интенсивности единичных тепловых источников

Прямое суммирование в зависимости (4) допустимо лишь в линейной постановке задачи. Нелинейность по интенсивности теплоподвода в зону шлифования является одной из принципиальных особенностей процессов абразивной обработки. Причем эта нелинейность проявляется в виде обратной связи через прочностную температурно-скоростную

характеристику обрабатываемого материала а, = /(е, ё, (У),предопределяющую интенсивность тепловыделения на очередном источнике — зерне.

Формализованную процедуру учета этой нелинейной обратной связи в теплофизике шлифования можно описать в виде алгоритмической схемы (рис. 2). В момент времени (врезание /-го зерна) обрабатываемый материал имеет температуру и¡_,с (остывание после нагрева от предыдущих /-1 зерен). Этой температуре соответствует температурно-скоростная прочностная характеристика материала - о-, (с;с;и'' 1)г По значению которой модифицируется интенсивность тепловыделения д, на рассматриваемом ¿-ом зерне. Далее, по значению £/, рассчитывается нагрев с учетом импульса от г'-го зерна - 11-,. Для времени ¡¡,\ - следующего зерна по первому блоку рассчитывается температура обрабатываемого материала, т.е. температура в которую врезается (+1 зерно.

Таким образом, зависимость (4) и алгоритм (см. рис. 2) представляют собой алгоритмическую модель температурного поля заготовки в зоне шлифования от воздействия множества абразивных зерен шлифовального круга.

Вероятностная модель температурного поля

Законы равномерного распределения координат теплового источника и нормального распределения размеров теплового источника предопределяют вероятностный характер модели. Вероятностный характер отмеченных исходных данных определяет случайное значение интенсивности теплового источника, поэтому функция и, определяемая этой моделью тоже является случайной, т.е. модель вероятностная и работа с ней должна вестись на соответствующем статистическом уровне.

Предлагается для оценки случайной функции температурного поля ввести два центральных момента математической статистики -М(Ц) и 0(1Г).

Тогда вероятностную модель температурного поля можно представить в виде системы: закона равномерного распределения координат теплового источника Р(х), закона нормального распределения размеров теплового источника И(х), модели концентрации тепловых источников на развертке шлифовального круга — С, мо-

дели интенсивности теплового источника - <7, температурно-скоростной прочностной характеристики обрабатываемого материала — ст, ) е [о,. (и)} 5 формы пятна контакта (зоны шлифования) , модели температурного поля от множественного дискретного теплового источника - и(х;у;г;г), алгоритма учета обратной нелинейной связи по интенсивности тепловых источников (рис. 2) и числовых характеристик оценки случайной функции температурного поля - М(Ц), £>({/).

Имитационная стохастическая модель теплофизики зоны шлифования

Температурное поле является случайной функцией с неизвестным

законом распределения. Задача аналитического описания функции закона распределения является существенно трансцендентной, т.к. количество зерен в любой момент времени случайно и попадает в пределы интегрирования уравнения теплопроводности.

Для нахождения данных статистических характеристик в стохастической модели, в силу трансцендентности задачи, принимаем традиционный для сложных задач - метод имитационного моделирования случайных процессов - с помощью компьютерной реализации вероятностной модели формируется выборка из входных переменных, по ней, в результате компьютерного расчета, формируется выборка выходных показателей - £/,-.

Таким образом, для каждой точки входных параметров получаем выходную точку - и.

С позиций теории математической статистики и теории случайных функций полученный результат является редукцией случайной функции. Полученную выборку, т.е. набор редукций дальше подвергается традиционной статистической обработке, в результате которой определяются статистическое выборочное математическое ожидание и выборочная дисперсия. Применяя теорию гипотез, из этих выборочных значений, определяются оценки генеральной совокупности, т.е. искомой случайной функции.

В силу большой размерности задачи разработана программа реализации стохастической имитационной модели, реализованная на суперкомпьютерном кластере «СКИФ-Аврора ЮУрГУ» и применена двухуровневая схема распараллеливания -полное распараллеливание на первом уровне и конвейерная схема на втором уровне.

Имитационная стохастическая модель температур самоподогрева

Температура самоподогрева, т.е. температура обрабатываемого материала, в который врезается абразивное зерно, является основной характеристикой температурного поля зоны шлифования для оценки обрабатываемости.

Множество температур в точках зоны шлифования в течение цикла является континуальным, и здесь вполне корректно его определение как поле. Множество температур самоподогрева имеет более сложную структуру. Оно континуально по времени, но дискретно по пространству.

Таким образом, координатной фиксацией единичного теплового источника -зерна в модели (4) можно определить температуру самоподогрева, т.е. температуру обрабатываемого материала перед передним фронтом зерна.

В итоге в каждый момент времени для температур самоподогрева в зоне шлифования имеем ряд значений в точках, где находятся в этот момент режущие зер-

на. Этот объект не является полем, с позиций математической теории поля. Однако, с прикладных позиций удобно употребить и здесь термин «поле», но в более расширенной трактовке, и говорить о поле температур самоподогрева.

Полученные имитационные стохастические модели теплофизики шлифования проверены по сопрягаемости с известными решениями и экспериментально. Сопоставление результатов показало, что погрешность между расчетными и экспериментальными данными не превышает 11 %.

Степень влияния разных технологических факторов на формирование температурного поля в зоне шлифования

Проведенный численный анализ на базе имитационного моделирования стохастической теплофизической модели позволил выявить ряд особенностей формирования температурного поля в зоне шлифования (рис. 3):

— величина температурного поля на участке от заборного конуса на шлифовальном круге при несвободном резании соответствует 110-130 % от его размерности на шлифовальном круге;

— в зоне выхаживания при несвободном резании формируется стабилизационный участок, температура в котором в зависимости от вида шлифования составляет порядка 25^4-0 % от величины температуры на активной части пятна контакта;

— в результате стохастического характера формирования температурного поля, в зоне стабилизационного участка формируется квазистационарное температурное поле, относительно которого в разные моменты времени происходит пульсация температур.

Анализ влияния различных технологических факторов на закономерность и особенности формирования средней составляющей температур самоподогрева — М{1/), позволил установить (рис. 4):

- при обработке среднеуглеродистых сталей наблюдается снижение температур самоподогрева на разных участках длины дуги контакта от 35 до 87 %;

- при обработке сложнолегированных, жаропрочных и быстрорежущих сталей прослеживается четкая тенденция к увеличению уровня температурного поля, численно выражаемая от 18 до 66 %;

- при плоском шлифовании периферией круга температура относительно базового варианта в разных участках длины контакта увеличивается на 33^40 %;

- при плоском шлифовании торцом круга на участке выхаживания снижается от 108-309 %, а в зоне активного резания увеличивается на 42 %.

Аналогичные закономерности прослеживаются и у других представителей свободного и несвободного резания.

Квазистационарное поле

Пульсация

Зона выхаживания

Рис. 3. Особенности формирования температурного поля

_■ 14Х17Н2_ Сталь 45 ..........Плоское шлифование торном круга

Рис. 4. Влияние технологических факторов на среднюю составляющую температур самоподогрева

Имитационная стохастическая модель силы резания

Разработанная стохастическая имитационная модель зоны шлифования, в отличие от моделей, предложенных С.Н. Корчаком и В.И. Клочко, создает основу для расчетного определения силы резания при шлифовании. Это впервые стало возможным за счет постановки теплофизической задачи в трехмерном пространстве при раздельном учете каждого перемещения, т.е. рассмотрена задача в неподвижной системе координат (системе координат станка) при независимом учете всех координат, что в итоге позволило определить мгновенное количество абразивных зерен, находящихся в зоне шлифования, в каждый момент времени. При этом для каждого зерна, рассчитав соответствующую ему температуру самоподогрева, и определив по ней эффективную прочность срезаемого металла — о,-, можно определить величину силы резания от каждого зерна, находящегося в зоне контакта.

В итоге, используя для оценки силы резания на абразивном зерне какую-либо из эмпирических или полуэмпирических формул теории резания, сила сопротивления продвижению круга Ркр определяется суммированием всех сил резания от режущих абразивных зерен, которые в данный момент находятся в зоне шлифования и движутся по ней относительно материала заготовки со скоростью Ук.

В качестве базы принята комбинированная формула силы резания, предложенная С.Н. Корчаком, гносеологическая по структуре и эмпирическая по параметрам, значения которых можно взять из экспериментов.

Поскольку механизм формирования силы резания в разработанной силовой модели имеет ту же природу, что и тепловые явления, определяемый по ней закон изменения силы резания, также будет иметь вероятностный характер.

Для нахождения данных статистических характеристик в стохастической модели силы, по аналогии с имитационной стохастической моделью теплофизики зоны шлифования, принят метод имитационного моделирования случайных процессов.

Программно имитационная стохастическая модель силы шлифования реализована надстройкой модуля в теплофизической модели.

В качестве основных показателей исследуемой случайной величины приняты — М(Ркр) и й(Ркр).

По выборочным числовым характеристикам оцениваются числовые характеристики генеральной совокупности, т.е. собственно исследуемого процесса, про-

изводится проверка однородности дисперсий и рассчитывается объединенная дисперсия процесса.

Для проверки адекватности разработанной модели силы резания проведены прямые экспериментальные исследования. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных показало, что погрешность в среднем составляет 10,6 %.

Степень влияния разных технологических факторов на формирование

силы резания

В результате анализа порядка 11000 выборок установлены следующие особенности:

- уровень силы резания зависит не только от количества одновременно находящихся в зоне контакта абразивных зерен, но и от их расположения;

- за счет переменного количества одновременно работающих в зоне контакта абразивных зерен сила резания имеет пульсирующий характер;

- пульсация силы резания формирует среднюю - трендовую составляющую.

Для практического применения полученных результатов наибольший интерес представляет среднее значение силы резания, т.к. этот параметр является одним из основных обобщенных факторов, определяющих технологическую обрабатываемость материалов в процессах абразивной обработки.

Установлено, что вид абразивной обработки однозначно влияет на изменение силы резания. Так, при обработке стали 40ХН увеличение силы при круглом наружном шлифовании с осевой подачей относительно базового составляет порядка 1,2 %, а при этих же условиях для стали У8А - 83 %. Такое изменение силы объясняется различным влиянием температуры в зоне контакта на интенсивность сопротивления материала деформации о„ которая, в свою очередь, предопределяет уровень рассматриваемого параметра.

При круглом наружном шлифовании процентное соотношение между материалами сталь 45^0ХН-60СГ2-20Х13-У8А составляет 0-19-38-51-86%, а при круглом наружном с осевой подачей это соотношение 0-1,2-68-83-83 % соответственно.

Таким образом, разработанные модели теплофизики зоны шлифования и силы резания в совокупности с математическим представлением понятия технологической обрабатываемости составляют базу для создания расчетной методики оценки обрабатываемости в процессах абразивной обработки.

Расчетная оценка технологической обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки

Поскольку в математике любое неравенство представляет собой определенную область, то понятие технологической обрабатываемости и ее математическое представление в виде системы неравенств (3) — есть ни что иное как область. Рассматривая заданные технологические ограничения, которые в математической постановке можно интерпретировать как фактор, учитываемый при оценке обрабатываемости - работаем с областями в определенном пространстве.

Для каждого фактора вводится математическая модель, которая описывает зависимость этого фактора от некоторого множества аргументов, среди которых выделяются фиксированные параметры и параметры управления.

В результате, каждое технологическое ограничение, которое обозначим То]; можно представить как функцию от некоторого множества параметров управле-

ния у,-, что математически сводится к системе факторов в пространстве параметров управления (5).

т°1 (У1; Уг; У.) ; •■ Ут)» То2(у,;у2;у^;...;ут); То!(у,;у2;у];...;ут); 1 = 1...п;

} = 1...Ш. (5)

Т°п(у1;у2;у};-;ут)''

Математически, система неравенств (5) представляет собой множество областей факторов в пространстве их параметров. Тогда, в соответствии с аксиоматической теорией множеств, имеем область технологической обрабатываемости (6), образованную всем множества факторов в пространстве параметров управления (7).

Т06{То1.1(у3)}п{То!=2(у^}п...п{То1=п(у>ш)} (6)

То,пТо2о...пТоп ={у^ еТо.лу; еТо2л...л^ еТоп} (7)

При этом должно выполняться условие непревышения допустимых значений факторов управления - То д

Графически (6) представляет собой и-факторную область технологической обрабатываемости в /и-параметрическом пространстве параметров управления. Пример и-факторной области технологической обрабатываемости в двухпарамет-рическом пространстве параметров управления представлен на рис. 5.

У? Область технологической обрабатываемости

Фактор управления по безприжоговости

[и < и„„Л Фактор управления по точности

[иіипп„п 8гасШ < рааи^,. о Р < Р г,

— ; тга

Фактор управления

по остаточным напряжениям

'и<и

о'„ < о'11>л

° "к, - П "„

|кт < Ьп

п-й фактор управления і-м технологическим ограничением

Рис. 5. «-факторная область технологической обрабатываемости в двухпараметрическом пространстве параметров управления

Формализованный критерий технологической обрабатываемости

Поскольку множество значений параметров управления не вырождено, то необходим критерий. В первом приближении в качестве формализованного крите-

рия технологической обрабатываемости принят простейший из критериев - производительность.

Зона эффективной технологической обрабатываемости

Кроме факторов управления существует еще ряд технологических параметров косвенно предопределяющих технологические ограничения. В их качестве могут выступать - геометрические размеры шлифовального круга и его профиль, вид абразивного материала и др.

В результате чего критерий технологической обрабатываемости варьируется в некотором диапазоне, а в пространстве (у,-; К) «-факторная область технологической обрабатываемости в силу размытости границ всех множеств факторов формирует зону эффективной технологической обрабатываемости (рис. 6).

КА

Максимум критерия технологической Область максимума

обрабатываемости критерия технологической

обрабатываемости

Область рассеивания критерия технологической обрабатываемости

Рис. 6. Формирование зоны эффективной технологической обрабатываемости

Методика расчетного определения технологической обрабатываемости

В соответствии с основными понятиями, определениями и формализованным описанием технологической обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки, методику расчетного определения можно описать последовательностью действий и решений, представленных в табл. 1.

Таким образом, сформированная методика позволяет при ограничивающих факторах и допустимых их значениях, принятых параметрах управления и принятом показателе эффективности процесса определить технологическую обрабатываемость материала.

В совокупности, система введенных понятий и правил - операций над этими понятиями, критерий оценки, последовательность действий и решений, составляет теорию расчетного определения технологической обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки.

Разработанная теория технологической обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки является справедливой для различных технологических ситуаций и в соответствии со сформированной методологией позволяет определить область технологической обрабатываемости для соответствующих условий.

Таблица 1.

Методология расчетного определения технологической обрабатываемости

№ п/п Наименование этапа Результат этапа

1 Задание факторов Тої, То2, ..., Топ

2 Выделение параметров управления УьУ2, ...,Ут

3 Задание допустимых значений факторов Тоїа, Тога, ■■■, Топг)

4 Проверка факторов по допустимым значениям • То,(у,;у2;у^;...;ут)<То,д; То2(у,;у2;у^...;уга)<То2д; То,(у,;у2;^;...;ут)<То,д; Топ(у,;у2;у;;...;ут)<То„<);

5 Построение областей факторов в пространстве параметров управления То, пТо2п...пТоп = = {Уі |Уі є То, л Уі є То2 л... л Уі є Топ|

6 Определение области технологической обрабатываемости ТОє{Тон(Уі)}п{Тоі=2(Уі)}п п...о{Тоі=п(уі=т)}

7 Формирование критерия технологической обрабатываемости Кто

8 Определение экстремума критерия технологической обрабатываемости ґ(ТО) < Г(Кт0); ґ(ТО)>ґ(Кто).

9 Определение зоны эффективной технологической обрабатываемости Кто е(Уі'Уі)

Работоспособность предлагаемой теории технологической обрабатываемости проиллюстрирована на методике, заложенной в последней редакции технологических рекомендаций по абразивной обработке, для круглого наружного шлифования с радиальной подачей.

В соответствии с этим выделены имеющиеся факторы - ограничения по точности и бесприжоговости обработки.

В качестве параметров управления выступают: диаметр шлифования длина шлифования (/ш), квалитет заготовки (1Т7), квалитет детали (7Т£>) и шероховатость (Яа).

Учитывая, что режимы резания - скорость радиальной подачи и ско-

рость вращения заготовки (У3), в данном случае, также являются параметрами управления, имеем семипараметрическое пространство параметров управления.

Для примера в табл. 2 приведены области технологической обрабатываемости, сформированные от различного количества факторов в пространстве параметров управления.

Формально теория алгоритмически позволяет рассмотреть область технологической обрабатываемости в требуемом семипараметрическом пространстве параметров управления.

Численная оценка технологической обрабатываемости Для принятого критерия, которым является производительность, оптимальным условием будет достижение минимального значения основного технологического времени - Т0 в области технологической обрабатываемости, сформированной в пространстве заданного числа параметров управления.

Для базового примера однофакторной области технологической обрабатываемости в однопараметрическом пространстве параметров управления (см. табл. 2, ячейка 1) минимум основного технологического времени То будет в точке эффективной технологической обрабатываемости (рис. 7).

Интервалы варьирования границы области технологической обрабатываемости представляют собой зоны неопределенности, и чем большее количество параметров находится в условно-постоянных, тем более размытые границы данной зоны. При перемещении параметров из условно-постоянных в варьируемые зона неопределенности уменьшается, а при условии, что все параметры являются варьируемыми, зона неопределенности вырождается в поверхность.

Формальный алгоритм теории не ограничивается рассмотрением однофакторной области и позволяет выйти на численную оценку технологической обрабатываемости материалов, выражаемую критерием оптимальности, для заданной л-факторной области технологической обрабатываемости в п-параметрическом пространстве параметров управления.

Многофакторная оценка технологической обрабатываемости материалов

Рассмотрим работоспособность предлагаемой теории на примере оценки технологической обрабатываемости для плоского шлифования торцом круга при обработке материалов - сталь 45, сталь 12Х2Н4А и жаропрочный сплав ХН75МБТЮ.

Из всего комплекса возможных факторов технологической обрабатываемости (2), рассмотрим три наиболее распространенные в практике - ограничение по предельному значению силы резания (точность обработки), ограничение по предельной температуре (бесприжоговость обработки) и ограничение по предельным остаточным напряжениям (отсутствие шлифовочных микротрещин).

Для реализации первых двух ограничений используем разработанные имитационные стохастические модели теплофизики зоны шлифования, температур са-

Точка эффективной технологической обра баты вас мости

Рис. 7. Формирование точки эффективной технологической обрабатываемости в пространстве параметров управления

моподогрева и силы резания. Ограничение по предельным остаточным напряжениям реализовано на основе модели, предложенной С.С. Силиным.

Произведенные расчеты на базе предлагаемой теории технологической обрабатываемости позволили построить соответствующие трёхфакторные области технологической обрабатываемости рассматриваемых материалов в одномерном пространстве параметра управления - осевая подача (рис. 8). и, "С1

8ос=1Ш)

Soc (U), мм/ход

Soc=a;p>) _ Soc (Р,), мм/ход

Soc=fïtT„) Soc(er^), мм/ход

Зое, 0,056 мм/ход

0,0062 0,0086

В)

Материал - 12Х2Н4А Активное ограничение предельная температура (бесприжоговость обработки)

Материал - сталь 45 Активное ограничение предельная сила резания (точность обработки)

Материал - ХН75МБТЮ Активное ограничение остаточные напряжения (шлифовочные микротрещины)

Рис. 8. Схема построения трёхфакторной области технологической обрабатываемости в однопараметрическом пространстве параметра управления

В соответствии с теорией математического программирования выделяются активные и пассивные ограничения. В нашем случае, у стали 45 активным является ограничение по предельному значению радиальной составляющей силы резания (см. рис. 8, а). Для стали 12Х2Н4А активным является ограЕшчение по предельному значению температуры, т.е. бесприжоговость обработки (см. рис. 8, б). Для сплава ХН75МБТЮ активное ограничение - превышение значения остаточных напряжений предела текучести (см. рис. 8, в) - образование шлифовочных трещин.

Таким образом, в рассматриваемой задаче активное ограничение у каждого материала различно.

Как отмечено, у стали 45 активным является ограничение по предельной радиальной составляющей силы резания, т.е. данный случай полностью описывается теорией обрабатываемости, предложенной С.Н. Корчаком.

Однако, работая по данной теории или технологическим рекомендациям для материалов 12Х2Н4А и ХН75МБТЮ, имеем возникновение прижогов и шлифовочных трещин, т.к. для материала 12Х2Н4А при выполнении ограничения по постоянству радиальной составляющей силы резания, активным является ограничение по предельно допустимому значению температуры - критическая точка фазовых превращений, что обусловило корректировку подачи именно по данному технологическому ограничению (см. рис. 8, б). Для материала ХН75МБТЮ при выполнении ограничения по постоянству радиальной составляющей силы резания и предельного значения температуры, активным является ограничение по превышению значения остаточных напряжений предела текучести - образование шлифовочных трещин, что вызвало необходимость соответствующей корректировки подачи (см. рис. 8, в).

В результате можно сделать вывод, что предлагаемая теория является обобщением и развитием основ обрабатываемости, предложенных С.Н. Корчаком, т.к. позволяет учесть, при наличии соответствующих моделей ограничений, комплекс технологических факторов.

Относительная оценка

Условно-постоянные параметры управления не включают в себя марку обрабатываемого материала, и поэтому они одинаковы для всех марок материалов. Тогда при всей размытости абсолютных границ относительная оценка по каждой отдельно взятой марке материала будет детерминированной, т.е. абсолютно определенной. В результате, на любом количестве варьируемых параметров управления данная модель позволяет вести абсолютно строгую относительную оценку обрабатываемости материалов. Другими словами, модель позволяет на расчетном уровне решать задачу относительной оценки обрабатываемости материалов, что являлось одной из основных задач данной работы.

Таким образом, предлагаемая теория технологической обрабатываемости является базой для расчетного относительного определения обрабатываемости материала даже при неполном учете факторов и параметров управления, т.е. наличии зоны неопределенности.

Абсолютная оценка

Чем больше параметров управления переходит из множества условно-постоянных в варьируемые, тем меньше размытость границ зоны неопределенности. В итоге, переходя на полнофакторную модель, т.е. при полном переходе условно-постоянных факторов в варьируемые, зона неопределенности вырождается в поверхность, что дает возможность получить абсолютную оценку технологической обрабатываемости. Это в итоге позволяет по заданной характеристике обрабатываемого материала рассчитать абсолютное значение его технологиче-

ской обрабатываемости при отсутствии какого-либо производственного опыта, т.е. решать вопрос проектирования технологии для абсолютно нового материала.

Появилась возможность решать и дополнительные задачи. Например, проектирование технологической операции. Это направление является дальнейшим расширением теории технологической обрабатываемости и составляет базу структурно-параметрической оптимизации при назначении режимов резания, определении оптимального соотношения квалитетов заготовки и получаемого изделия и т. д.

Реализации теории технологической обрабатываемости

В рамках поставленной проблемы, обусловленной ориентировочным характером рекомендаций по обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки, проведен системный анализ надежности полученных рекомендаций по технологической обрабатываемости.

Относительная оценка

Для базовых условий произведен расчет значения параметра управления при обеспечении ограничений по точности и бесприжоговости обработки для остальных рассматриваемых марок материалов, что позволило сформировать соответствующие им области технологической обрабатываемости. Область базового варианта (сталь 45) выделена серым цветом (рис. 8).

Видно (см. рис. 8), что в зависимости от марки материала двухфакторная область в однопараметрическом пространстве параметра управления существенно изменяется. Очевидно, что наиболее эффективной для каждой марки материала будет являться правый край соответствующей ему области.

Равноточный 15% ряд значений подачи

Рис. 8. Двухфакторные области технологической обрабатываемости в однопараметрическом пространстве параметра управления.

Систематика на основе равноточного ряда

В соответствии с тем, что данные расчеты произведены для создания базы по обрабатываемости материалов в справочных материалах по режимам резания и

нормам времени, то по аналогии с их структурой необходимо произвести их систематизацию по группам обрабатываемости.

Для реализации этого предложен формализованный подход к систематике материалов, основанный на применении равноточных рядов. На диапазон значений параметра управления накладывается равноточный ряд его значений и соответствующий ряд коэффициентов (см. рис. 8), который и определяет принадлежность материала к той или иной группе обрабатываемости.

По данной методике сформированы группы обрабатываемости для 15 %-го равноточного ряда для рассматриваемых процессов абразивной обработки.

При этом, отдельные виды абразивной обработки показали одинаковый результат по группам обрабатываемости и маркам материалов, входящих в них.

Так, на рис. 6 представлены области технологической обрабатываемости материалов при круглом бесцентровом шлифовании с радиальной подачей, выделенные красным цветом. Уровень подачи для базового материала составляет Узрад=2,1 мм/мин, что на 139 % превышает уровень подачи для базового материала при круглом наружном шлифовании с радиальной подачей (см. рис. 8). Однако проведя систематику на основе 15%-го равноточного ряда, коэффициенты и группы обрабатываемости материалов полностью совпали с данными для круглого наружного шлифования, что позволяет их объединить в одну шкалу обрабатываемости материалов. Ряд таких ситуаций позволил свести количество шкал групп обрабатываемости для 48 видов абразивной обработки до системы из 14 дифференцированных шкал групп обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки.

Для каждой из шкал по всем группам обрабатываемости проведен анализ количества правильно и ошибочно принятых решений, т.е. когда в проектную технологию заложены лишние инвестиции или произойдет срыв всей проектной технологии. Установлено, что данные, не учитывающие дифференцированные шкалы обрабатываемости, т.е. действующие в настоящее время, имеют среднюю погрешность до 25 %, а во многих случаях до 30 % и даже до 45 %, что характеризует проценты неправильно принятых решений.

В табл. 3 приведены четыре дифференцированных шкалы групп обрабатываемости материалов, которые наглядно показывают, что в зависимости от вида абразивной обработки материалы обладают различной обрабатываемостью - переходят из одних групп в другие, что предопределяет и соответствующий им коэффициент обрабатываемости.

Таким образом, применение дифференцированных шкал групп обрабатываемости дает существенный организационный и экономический эффект за счет ликвидации возможности принятия неправильных решений по обрабатываемости материалов.

Абсолютная оценка

Решение данной задачи сопряжено с большим количеством расчетов, т.к. основное условие абсолютной оценки - переход параметров управления из множества условно-постоянных в варьируемые, приводит к полнопараметрической модели. На этом уровне предлагаемая теория и комплекс моделей реализованы в виде алгоритма САЕ-модуля (рис. 9).

Таблица 3.

Дифференцированные шкалы групп обрабатываемости материалов

Группа обрабатываемости Вид абразивной обработки

Круглое врезное шлифование, бесцентровое врезное Круглое и бесцентровое шлифование с осевой подачей Отделочное шлифование с осевой подачей Абразивная отрезка

Материал к Материал к Материал к Материал к

I 45,45Г-А4й 1,0 45 1,0 20Г, 17ХГСА, 45 1,0 45, 4<ШІ, 45Г, ЗО^йСІА, 20Г 1,0

II 05КП, 08КП ^5КП, 08КП 1,15 05КП^08НДИ5Г ^КП, 08КП 1,15

III Л 20Г, ЗОХМА 325- ЗОХМА, 17ХГСН, ^ Л40,38ХМ, 40ХЗМФ, 4рХГ Ю 0,85 20Х, 20, 14ХГСН, 38ХМ, 40Х, 40ХГ, 40ХФ, 38ХС, А40 0,85

IV 17ХГСД<Э#£м, 40ХНТ17ХГСН, 1ПХ15^ЩЗМФ... 0,72 з>хмд^звгг2о, 2о5С А40Г?8ХМ, 40ХГ, 17ХГСН... 20ХГНР^8ХГ, 40ХйГ40ХГ, 20Х, ВТ15, 40ХФ... 0,72 15ХМ, 20ХНМ, 17ХГ£АГШХ15, ЗХЙМ, ОТ-3 0,72

V 60СГ2,40ХГТ40ХГ 08Х18Т... _40ХФ, 15ХМ, 0.6 14Х17Н2>60€Г2Г' ШХ15, 5ХНМ... 0,61 14X17Н2, 40ХЗМ1Ф, 08Х18Т.. 0,61

VII Р6М5, ХН75МБТЮ-ВД.. 0,44 12Х18Н10Т-ВД, 30ХГСНА 0,44 ХН75МБТЮ-ВД 0,44 Р6М5, Р6М5К5-Ш, 84І2... 0,32

X 8412,-«М5Ф-Ш 0,27 Р10К10М4ФЗ, Р6М5ФЗ-Ш 0,27 11М7Х2Ф-Ш

XI ------- —0,19— 11М5Ф-Ш, ПМЬФ,*841Г 0,28

XIII 11М7Х2Ф-Ш ... 0,14

с

Проектная документация на деталь (чертеж детали)

1. Геометрия и размеры зоны шлифования (слава 3);

2. Разделение интенсивности по зонам (глава 4);

3. Распределение интенсивности по зонам шлифования (глава 4);

4. Технологические ограничения факторы (глава 2);

5. Параметры управления:

- постоянные (глава 2); -условно постоянные (глава 2);

- переменные (глава 2).

9

тэ

I\jm 10 —^^*

| Конец

Точка эффективной технологической обрабатываемости в прост ранстве параметров управления (глава 6)

\ Вывод оптимальных --! значений всех параметров j управления - у,^ (глава 6)

Выбор характеристики шлифовального круга:

1. Абразивный материал;

2. Зернистость:

3. Твердость;

4. Структура;

5. Вид связки;

6. Полная маркировка круга;

7. Геометрические параметры шлифовального к*ру! а.

ОТ

1-І

! Однофакторная область "j технологической обрабатываемости (глава (

F1.1

[

~1 г

^ Область по бесприжоговостн:

F1.2

МО

¡Многофакторная область технологической обрабатываемости (глава 6)

Имитационная стохастическая модель теплофизики зоны шлифования (глава 4)

Имитационная стохастическая модель силы резания (глава 5)

Рис. 9. Укрупненный алгоритм CAE-модуля технологического назначения

Данный алгоритм проработан на условие согласования запросов с кластерными системами, работающими на платформе SKIF ALT Linux 4.3.2-altl5 и типом управляющей сети - InfiniBand QDR.

Внедрение реализаций в промышленность Изложенные выше практические решения апробированы и нашли применение на ряде промышленных предприятий Российской Федерации.

Технологические рекомендации Совместно с Уральским научно-исследовательским институтом абразивов и шлифования разработан справочник «Абразивная обработка: наладки, режимы резания» и РТМ «Дифференцированные шкалы (карты) групп обрабатываемости материалов в процессах шлифования».

РТМ является дополнением к применяемому более чем на 100 предприятиях Российской федерации справочнику «Режимы резания на работы, выполняемые на шлифовальных и доводочных станках с ручным управлением и полуавтоматах».

Данный РТМ прошел успешную апробацию и внедрение на ряде машиностроительных предприятиях Российской Федерации и реализован в виде базы данных по коэффициентам обрабатываемости материалов при нормировании операций шлифования в составе модуля АОЕМ N111 системы АЭЕМ САО\САМ\САРР.

САЕ-модуль технологического назначения в САО\САМ\САРР системах

Разработанный алгоритм в автоматизированном цикле расчетным путем определяющий значение абсолютной технологической обрабатываемости принят к внедрению группой компаний «АОЕМ» для реализации САЕ-модуля технологического назначения в составе системы сквозного проектирования АОЕМ САО/САМ/САРР и РТМ в виде баз данных по группам и коэффициентам обрабатываемости материалов, применяемых при нормировании операций абразивной обработки в модуле АОЕМ ОТЯ.

Фактический годовой эффект от внедрения разработок составил 537,966 тыс. руб.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Результаты:

1. Сформулировано понятие технологической обрабатываемости, которое наряду с учетом собственной сопротивляемостью материала резанию учитывает обеспечение всех технологических ограничений и требований к обработанной поверхности заготовки.

2. Проведенная формализация комплекса технологических ограничений и параметров управления позволила понятие технологической обрабатываемости привести к математическому описанию, которое позволяет структурно включить и использовать все существующие теоретические и экспериментальные наработки в области абразивной обработки при реализации концепции технологической обрабатываемости материалов.

3. На базе теории технологической обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки разработан комплекс методик расчетного определения технологической обрабатываемости:

- относительная оценка всей номенклатуры существующих сталей и сплавов для 48 видов и наладок абразивной обработки.

- абсолютная оценка, позволяющая рассчитать комплекс технологических условий эффективной технологической обрабатываемости материалов, для которых известны теплофизические и механические характеристики.

5. На основе методологической базы последней редакции общемашиностроительных нормативов, где режимы резания назначаются по двум ограничениям - точности и бесприжоговости обработки, проведена относительная оценка технологической обрабатываемости (относительно стали 45), в итоге которой установлено наличие родственных по обрабатываемости видов (наладок) абразивной обработки, в результате которых для 48 видов (наладок), разработано 14 шкал технологической обрабатываемости.

6. Разработан алгоритм, в автоматизированном цикле расчетным путем определяющий значение абсолютной технологической обрабатываемости, который принят к внедрению группой компаний «АДЕМ» для реализации САЕ-модуля

технологического назначения в составе системы сквозного проектирования АОЕМ САБ/САМ/САРР.

7. Для учета ограничения по бесприжоговости обработки и наличия обратной нелинейной связи процесса разработана модель теплофизики зоны шлифования, которая впервые:

- реализована в трехмерном пространстве при раздельном учете каждого перемещения, т.е. рассмотрена задача в неподвижной системе координат (системе координат станка) при независимом учете всех координат;

- построена без допущений теории быстродвижущихся источников и полном учете каждого перемещения независимо от его относительной величины;

- учитывает стохастичность процесса абразивной обработки.

8. Для реализации ограничения по точности обработки разработана модель силы резания, которая за счет раздельного учета каждого перемещения в тепло-физической модели, впервые позволила определить величину силы резания от сопротивления продвижению круга в целом в любой момент времени.

9. На основе моделей теплофизики зоны шлифования и силы резания разработана программа имитационного стохастического моделирования процессов абразивной обработки «Пространственная многокритериальная теплофизическая модель процессов абразивной обработки», реализованная средствами технологии параллельного программирования для высокопроизводительных кластерных систем.

10. Проведена систематика процессов абразивной обработки и их формализация по схеме резания и форме пятна контакта в зоне обработки.

11. Результаты работы - система дифференцированных карт (шкал) групп обрабатываемости для круглого наружного шлифования, бесцентрового, плоского периферией круга и шлифования отверстий вошли в справочник «Режимы резания на работы, выполняемые на шлифовальных и доводочных станках с ручным управлением и полуавтоматах». Для всей номенклатуры процессов разработан справочник «Абразивная обработка: наладка, режимы резания» и оформлен руководящий технический материал «Дифференцированные шкалы (карты) групп обрабатываемости материалов в процессах шлифования».

Данные материалы внедрены:

- в действующее производство предприятий машиностроительной, автомобилестроительной и аэрокосмической отраслей;

- в систему АОЕМ в виде баз данных по группам и коэффициентам обрабатываемости материалов, применяемых при нормировании операций абразивной обработки в модуле АОЕМ ЫТЛ.

Выводы:

1. В диссертационной работе решена крупная научная проблема, имеющая важное государственное межотраслевое хозяйственное значение, заключающаяся в разработке комплекса методик расчетного определения обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки на основе установления физических взаимосвязей между обрабатываемостью материала, видом абразивной обработки, технологическими ограничениями и параметрами технологической системы.

2. Теплофизическая модель процесса в системе координат станка при независимом учете всех пространственных перемещений абразивного инструмента и заготовки впервые позволила охватить широкую номенклатуру видов и наладок аб-

разивной обработки, что позволило выявить ряд новых закономерностей формирования температурного поля:

а) Для схем несвободного резания (виды обработки с осевой подачей) установлены две зоны температурного поля:

- высокотемпературная зона - зона интенсивного съема;

- низкотемпературная зона - зона выхаживания, где температура составляет 20-35 % от высокотемпературной зоны.

в) Наличие режущих и трущих зерен оказывает стабилизирующее влияние на импульсный характер температурного поля - снижение импульсной температуры в среднем на 56 %.

г) Стохастичность процесса резания при абразивной обработке существенно влияет на закономерность формирования температурного поля - формируется коридор нестабильности, который в среднем составляет 170 °С с уменьшением к концу длины дуги контакта до 88-106 °С.

3. Теплофизическая модель процесса в системе координат станка позволила впервые расчетным путем определить силу резания от круга в целом, вскрыв пульсирующий и стохастический характер:

- за счет переменного количества одновременно работающих в зоне контакта абразивных зерен сила резания имеет пульсирующий характер с частотой, определяемой зернистостью круга и скоростью резания;

- коридор нестабильности силы резания в среднем составляет 4,6 Н.

4. В соответствии с предложенной концепцией технологической обрабатываемости и на базе разработанных моделей проведена двухфакторная оценка обрабатываемости сталей и сплавов общемашиностроительной номенклатуры для 48 видов и наладок абразивной обработки, которая позволила сформировать 14 дифференцированных шкал обрабатываемости материалов с варьированием количества групп от 7 до 13.

5. Разработанный программный модуль (САЕ-модуль технологического назначения) позволяет проводить оценку технологической обрабатываемости материала при заданных его физико-механических свойствах, что является реализацией научно-методической базы повышения эффективности процессов абразивной обработки на основе многофакторной оценки обрабатываемости материалов.

6. Разработанные дифференцированные шкалы групп обрабатываемости материалов позволили устранить, существующую в действующих справочных рекомендациях в среднем 25%-ную погрешность. Годовой эффект от внедрения данных разработок составил 537,966 тыс. руб.

Опытно-промышленная апробация САЕ-модуля технологического назначения на ряде предприятий Уральского региона в составе системы А1)ЕМ С АО/САМ/САРР позволила:

- сократить сроки технологической подготовки производства и отладки технологического процесса в среднем на 34,3%, а в ряде случаев полностью исключить станочную отладку технологического процесса;

- разработать и внедрить технологии обработки новых материалов (полимерно-композиционные, сложноструктурные материалы).

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ Публикации в журналах, рекомендованных ВАК

1. Дьяконов A.A. Научно-методическая база повышения эффективности процессов абразивной обработки на основе многофакторной оценки обрабатываемости материалов // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2013. №1. С. 19-26.

2. Дьяконов A.A. Исследование обрабатываемости материалов - эффективный путь повышения производительности процесса шлифования // СТИН. 2012. №3. С. 25-29.

3. Дьяконов A.A. Технологическая обрабатываемость материалов в процессах шлифования // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2011. №4(2). С. 46-51.

4. Дьяконов A.A., Кошин A.A. Практическая реализация теории технологической обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2011. № 6-3(290).

С. 18-25. „

5. Дьяконов A.A. Повышение производительности процессов абразивнои обработки // Технология машиностроения. 2010. №9(99). С. 18-21.

6. Дьяконов A.A. Прогнозирование эффективности шлифования новых сталей и сплавов на этапе проектирования операции // Инженерный журнал. Справочник. М.: Изд-во Машиностроение, 2008. №3(132). С.15-17.

7. Дьяконов A.A. Расчетная оценка обрабатываемости материалов в процессах шлифования // Обработка металлов (Технология, оборудование, инструменты). 2006. №3. С.8-10.

8. Дьяконов A.A. Стохастический подход к решению теплофизических и силовых задач теории шлифования // Металлообработка. 2008. №2(44). С.2-6.

9. Дьяконов A.A. Задачи и особенности многокритериальной трехмерной модели теплофизики процессов абразивной обработки // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2010. №5 (283). С. 65-72.

10. Дьяконов A.A. Теплофизическая модель заготовки от действия единичного теплового источника - абразивного зерна // Известия вузов. Машиностроение. 2007. №7. С. 60-62.

П.Дьяконов A.A., Шипулин Л.В. Область применения теории быстродвижу-щихся источников в задачах теплофизики абразивной обработки при дискретной схеме контакта // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2011. №4(2). С. 136-142.

12.Дьяконов A.A., Ардашев Д.В., Лепихов A.B. Имитационное моделирование процессов шлифования на основе применения высокопроизводительных кластеров и технологий параллельных вычислительных процессов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2011. № 2/2(286). С. 29-34.

13.Кошин A.A., Дьяконов A.A. Применимость параллельных вычислительных процессов в расчетных задачах технологии машиностроения // Технология машиностроения. 2010. №1. С. 45—47.

Н.Дьяконов A.A. Влияние температурно-скоростных условий шлифования на прочностные характеристики обрабатываемого материала // Обработка металлов (Технология, оборудование, инструменты). 2007. №3. С. 12-13.

15. Дьяконов A.A. Исследование прочностных характеристик материалов при скорости деформации и температурном режиме шлифования // Металлообработка. 2007. №4(40). С. 2-5.

16.Дьяконов A.A., Геренштейн A.B. Регрессионно-качественная модель процесса износа абразивных зерен шлифовального круга // Обработка металлов (Технология, оборудование, инструменты). 2007. №3. С. 31-33.

17.Ардашев Д.В., Дьяконов A.A., Уразбахтин Б.Ф. Влияние химического состава шлифуемой стали на гранулометрический состав стружки // Металлообработка. СПб: Политехника, 2011. № 5(65). С. 41-44.

Монографии

18.Моделирование технологических процессов абразивной обработки. Монография / Г.В. Барсуков [и др.] / Под ред. Ю.С. Степанова и A.B. Киричека. M • Издательский дом «Спектр», 2011. 256 с.

19.Дьяконов A.A. Обрабатываемость конструкционных материалов в процессах шлифования. Основы расчетной оценки. Саарбрюкен: ЛАП ЛАМБЕРТ Академик Публишинг, 2011. 180 с.

20. Дьяконов A.A. Исследование износа шлифовальных кругов. Исходные данные для теплофизических исследований. Саарбрюкен: ЛАП ЛАМБЕРТ Академик Публишинг, 2011. 112 с.

Технологические рекомендации

21. Режимы резания на работы, выполняемые на шлифовальных и доводочных станках с ручным управлением и полуавтоматах / Д.В. Ардашев Ги до 1 Челябинск: Изд-во АТОКСО, 2007. 314 с.

22. Абразивная обработка: наладка, режимы резания. 2-е изд., перераб. и доп. Справочник / A.A. Дьяконов [и др.]. Челябинск: Изд-во АТОКСО, 2012. 388 с.

23. Руководящий технический материал «Дифференцированные шкалы (карты) групп обрабатываемости материалов в процессах шлифования» / A.A. Дьяконов [и др.]. Челябинск: Изд-во УралНИИАШ, 2011. 36 с.

Патенты, свидетельства

24. Пат. 2429946 Российская Федерация, МПК В 23 В 1/00. Способ определения обрабатываемости при высокоскоростных методах обработки / А А Кошин A.A. Дьяконов. №2010110405/02; заявл. 18.03.2010; опубл. 27.09.2011.

25.Программа «Имитационная стохастическая теплофизическая модель процесса шлифования»: свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 11089 / A.B. Геренштейн, A.A. Кошин, A.A. Дьяконов. №5245770251; заявл. 11.02.2008; опубл. 07.07.2008 // Инновации в науке и образовании № 7(42). С. 46.

26. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ 2010610052 Российская Федерация. Пространственная многокритериальная теплофизическая модель процессов абразивной обработки / A.A. Дьяконов А В Геренштейн, A.A. Кошин. № 2009616027; заявл. 28.10.2009; зарегистр. 11.05 2010 // Инновации в науке и образовании. 2010. № 6(59). С. 14.

27. Патент на полезную модель 83721 Российская Федерация, МПК В23В25/06. Стенд для исследования взаимодействия инструмента и образца при высокоскоростных методах обработки / A.A. Кошин, А.А Дьяконов

№2009105395/22; заявл. 16.02.2009; опубл. 20.06.2009.

Другие публикации

28. Dyakonov A.A. Spatial model of impulsive temperature field of part blank unit section by grinding // Proceedings of the Chelyabinsk Scientific Center 2007 Vol. 3 (37). P. 30-34.

29. Режимы резания на работы, выполняемые на шлифовальных и доводочных станках с ручным управлением и полуавтоматах / Д.В. Ардашев Ги до 1 Челябинск: Изд-во АТОКСО, 2007. 384 с.

30. Dyakonov A.A. Particular qualities of temperature field blank formation by grinding // Proceedings of the Chelyabinsk Scientific Center. 2007. Vol. 3 (37). P. 3439.

31. Кошин A.A., Дьяконов A.A. Стохастическое имитационное моделирование процесса шлифования при оценке обрабатываемости сталей и сплавов // Теп-лофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении: Труды II международной научно-технической конференции (Резниковские чтения). Тольятти, 2008. С. 109-114.

32. Dyakonov A.A. Material technological machinability by grinding // Components of scientific and technical progress: IV the International scientific-practical conference. Tambov, 2008. P. 121-122.

33. Дьяконов A.A. Теоретические основы технологической обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки // Будущее машиностроения России: Сборник трудов всероссийской конференции молодых ученых и специалистов.

Москва, 2008. С. 32-33.

34. Dyakonov A.A., Shipulin L.V. Sensitivity of model machinability round central grindings to change of entrance technological parameters // Science and business: development ways: I the International scientific-practical conference. Tambov, 2009. P. 78-79.

35. Дьяконов A.A., Нуркенов A.X. Моделирование зоны пятна контакта при шлифовании зубчатых колес тарельчатыми кругами // Проведение научных исследований в области машиностроения: Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции с элементами научной школы для молодежи.

Тольятти, 2009. 4.2. С. 34-37.

36. Дьяконов A.A. Пространственная многокритериальная обобщенная теплофизическая модель процессов абразивной обработки // Будущее машиностроения России: Сборник трудов всероссийской конференции молодых ученых и специалистов. Москва, 2009. С. 4.

37. Дьяконов A.A. Расчетная оценка технологической обрабатываемости сталей и сплавов в процессах абразивной обработки // Технологические методы повышения качества продукции в машиностроении (ТМ-2010): Сборник трудов международной научно-технической конференции. Воронеж, 2010. С. 193—197^

38. Дьяконов A.A. Теория технологической обрабатываемости сталей и сплавов в процессах шлифования // Будущее машиностроения России: Сборник трудов третьей всероссийской конференции молодых ученых и специалистов.

Москва, 2010. С. 53.

39. Дьяконов A.A., Лепихов A.B. Имитационное стохастическое моделирование процессов высокоскоростной механической обработки (на примере шлифования) // Параллельные вычислительные технологии (ПаВТ'2011): Труды международной научной конференции (Москва, 28 марта- 1 апреля 2011r.).URL: http://omega.sp.susu.ac.ru/books/conference/PaVT2011 (дата обращения 19.05.2011).

40. Дьяконов A.A. Определение условий эффективной обрабатываемости материалов // Высокие технологии, исследования, промышленность: Сборник трудов девятой международной научно-практической конференции «Исследование разработка и применение высоких технологий в промышленности / Под. ред. А.П. Кудинова. СПб., 2010. Т. 2. С. 143-145.

41. Кошин A.A., Дьяконов A.A., Буторин Г.И. Имитационное моделирование процесса шлифования // Проведение научных исследований в области машиностроения: Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции с элементами научной школы для молодежи. Тольятти, 2009. Ч. 1. С. 304-309.

Дьяконов Александр Анатольевич

РАЗРАБОТКА НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКОЙ БАЗЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ МНОГОФАКТОРНОЙ ОЦЕНКИ ОБРАБАТЫВАЕМОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Специальности: 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Издательский центр Южно-Уральского государственного университета

Подписано в печать 28.01.2013. Формат 60*84 1/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,86. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 120 экз. Заказ 20/78.

Отпечатано в типографии Издательского центра ЮУрГУ. 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)

РАЗРАБОТКА НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКОЙ БАЗЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ МНОФАКТОРНОЙ ОЦЕНКИ ОБРАБАТЫВАЕМОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки 05.02.08 — Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени

На правах рукописи

05201350837

Дьяконов Александр Анатольевич

доктора технических наук

Научный консультант:

доктор технических наук,

профессор А.А. Кошин

Челябинск - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Список основных сокращений и условных обозначений 8

Введение 11

Глава 1. Обрабатываемость материалов в производственных процессах

1.1. Обрабатываемость в металлообработке

1.1.1. Интуитивные отраслевые понятия обрабатываемости 15

1.1.2. Практическая значимость обрабатываемости 24

1.2. Природа различной обрабатываемости материалов в разных технологических процессах

1.2.1. Связь обрабатываемости с условиями обработки 30

1.2.2. Функциональный характер прочностной характеристики обрабатываемых материалов 32

1.3. Математические модели процессов резания 38

1.3.1. Модели в лезвийной обработке 39

1.3.2. Модели в абразивной обработке 44

1.3.2.1. Резание единичным абразивным зерном 45

1.3.2.2. Резание абразивным инструментом 47

1.4. Ключевые особенности процессов абразивной обработки. Теоретические предпосылки работы 53

1.5. Представительность процессов абразивной обработки 62

1.6. Цель работы. Задачи 66

Глава 2. Технологическая обрабатываемость материалов в процессах абразивной обработки

2.1. Ограничения на обрабатываемость 70

2.2. Понятие технологической обрабатываемости материалов

в процессах абразивной обработки 83

2.3. Формализация понятия технологической обрабатываемости 84

2.4. Выводы 99 Глава 3. Систематика видов абразивной обработки

3.1. Цель и критерий систематики 100

3.2. Систематика форм и кинематики зон шлифования 100

3.3. Типовые формы зон шлифования 118

3.4. Выводы 120 Глава 4. Теплофизическая модель процессов шлифования

4.1. Постановка задачи

4.1.1. Требования и условия 122

4.1.2. Расчетная схема 122

4.1.2.1. Принципиальная схема процесса шлифования 123

4.1.2.2. Расчетная схема для учета теплопередачи 124

4.1.2.3. Расчетная схема учета кинематической дискретной структуры теплового источника 125

4.1.2.4. Форма зоны шлифования 126

4.1.2.5. Дифференциация единичных тепловых источников 128

4.1.3. Математическая постановка задачи 131

4.2. Детерминированная имитационная модель теплофизики зоны шлифования

4.2.1. Интегральное решение 133

4.2.2. Функция влияния единичного теплового источника 135

4.2.3. Температурное поле зоны шлифования

140

от множественного дискретного теплового источника

4.2.3.1. Суммарное воздействие единичных источников - зерен 140

133

6.3.1. Основные понятия и определения 217

6.3.2. Формализованное описание учитываемых факторов

и параметров управления 218

6.3.3. Формализованное описание области обрабатываемости 220

6.3.4. Графическое представление области технологической обрабатываемости в пространстве параметров управления

6.3.4.1. Однофакторная область 221

6.3.4.2. Двухфакторная область 222

6.3.4.3.Многофакторная область 222

6.3.5. Критерий технологической обрабатываемости 223

6.3.6. Зона эффективной технологической обрабатываемости 223

6.4. Методика расчетного определения технологической обрабатываемости 224

6.5. Примеры расчетной оценки

6.5.1. Частные примеры других исследователей 226

6.5.2. Пример из справочника режимов резания

6.5.2.1. Области технологической обрабатываемости 228

6.5.2.2. Численная оценка технологической обрабатываемости 231

6.5.2.3. Вариативность областей 236

6.5.3. Многофакторная оценка технологической обрабатываемости

238

материалов

6.6. Уровни и надежность расчетной оценки технологической

обрабатываемости

6.6.1. Относительная оценка 245

6.6.2. Абсолютная оценка 245 6.7. Выводы 246

Глава 7. Реализации теории технологической обрабатываемости

7.1. Решение практических задач 248

7.1.1. Относительная оценка 248

7.1.1.1. Система шкал обрабатываемости 249

7.1.1.2. Эффективность системы шкал обрабатываемости 257

7.1.1.3. Работоспособность относительной оценки - системы дифференцированных шкал обрабатываемости 269

7.1.2. Абсолютная оценка обрабатываемости

7.1.2.1. Расчет обрабатываемости нового материала 273

7.1.2.2. Расчетный САЕ-модуль 275

7.1.3. Дополнительные задачи

7.1.3.1. Расчет режимов резания 277

7.1.3.2. Структурно-параметрическая оптимизация операции 279

7.2. Внедрение реализаций в промышленность 279

7.2.1. Нормативы режимов резания 279

7.2.2. Руководящий технический материал 280

7.2.3. САЕ-модуль технологической направленности

в САБ\САМ\САРР системах 280

7.3. Результаты 281 ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 282 Литература 288 Приложение 1. Методика, оборудование и аппаратное обеспечение экспериментальных исследований 318

Приложение 2. Внедрение результатов работы 329 Приложение 3. Дифференцированные шкалы (карты) групп обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки Приложение 4. Исходные данные и режимы резания, принятые при

383

моделировании влияния технологических условий на показатели процесса

Список основных сокращений и условных обозначений

VK - скорость вращения шлифовального круга, м/с;

V3- окружная скорость заготовки, м/с;

пд- частота вращения заготовки, с"1;

Toc - основное технологическое время, с;

^5рад- скорость радиальной подачи, м/мин;

Vsoc ~ скорость осевой подачи, м/мин;

VBn - скорость возвратно-поступательного движения, м/с;

S2x - подача на двойной ход, м;

£рад - радиальная подача, м;

t2\ - глубина резания на двойной ход, м;

t - глубина резания, м;

Р - давление прижима, Па;

Dà - диаметр детали, м;

d-j- диаметр заготовки, м;

/ш-длина шлифования, м;

Bh - высота круга, м;

а - угол наклона круга, град.;

//-мощность резания, Вт;

NVà~ удельная мощность шлифования, Вт;

N},d пред - бесприжоговая удельная мощность шлифования, Вт;

о, - интенсивность сопротивления материала деформации, Па;

é п - скорость деформации (индекс п - значение скорости резания), м/с;

е - степень деформации;

а'ост - остаточное макронапряжение 1-го рода, Па;

- остаточное макронапряжение 2-го рода, Па; а ост - остаточное макронапряжение 3-го рода, Па; hc^ - глубина остаточных напряжений, м;

- степень наклепа;

§гаёЬн - градиент наклепа; Н - микротвердость поверхностного слоя, Па;

- предел выносливости, Па;

Е - энергия фазовых и структурных превращений, эВ;

и - температура, °С;

ис - температура самоподогрева, °С;

и'-температура самоподогрева ьго зерна, °С;

<?с - интенсивность тепловыделения сплошного источника, (Дж/м2 с) ql - интенсивность тепловыделения дискретного источника, (Дж/м2-с) ^-интенсивность тепловыделения от пластической деформации, (Дж/м2-с) дтр - интенсивность тепловыделения от трения, (Дж/м2-с) ЧсР ~ усредненная интенсивность тепловыделения, (Дж/м2-с) X - температуропроводность, м /с; X - теплопроводность, Вт/(м-град.); I - время, с;

Рш.Ркр - сила шлифования (от продвижения круга в целом), Н;

Рг - сила шлифования (от единичного абразивного зерна), Н;

Рх, Ру, Р2 - осевая, радиальная и касательная составляющие силы шлифования

соответственно, Н;

СОТС - смазочно-охлаждающая технологическая среда;

Яа - среднее арифметическое отклонение профиля шлифованной поверхности, мкм;

- высота волнистости поверхности, м;

8„ - средний шаг волнистости поверхности, м; ШК - шлифовальный круг; /з - площадка затупления абразивного зерна, м; РР - режимы резания;

] - жесткость технологической системы, Н/м; Р - угол сдвига, град.;

Pi - угол действия, град.;

ТО - технологическая обрабатываемость материала; Toi - технологическое ограничение; yi - параметр управления;

К - критерий технологической обрабатываемости;

CAD - модуль компьютерной поддержки проектирования в составе системы сквозного проектирования;

САМ - модуль компьютерной поддержки производства в составе системы сквозного проектирования;

САРР - модуль компьютерной поддержки технологической подготовки производства в составе системы сквозного проектирования;

САЕ - модуль компьютерной поддержки инженерных расчетов в составе системы сквозного проектирования.

11

Введение

Отсутствие определения термина «обрабатываемость» в нормативных документах привело к большому количеству, зачастую противоречивых, его различных формулировок и критериев оценки. В большинстве случаев под обрабатываемостью понимают способность (свойство) материала подвергаться обработке. Однако, целью любого процесса резания является не просто снять металл, а произвести удаление заданного припуска при обеспечении технологических требований по качеству, точности обработки и т. д., выполнение которых напрямую связано с той или иной степенью обрабатываемости материала. Поэтому разными исследователями к формулировке обрабатываемости добавлялся критерий ее определения, например, обрабатываемость по шероховатости поверхности, обрабатываемость по стойкости инструмента и т. д. Данная ситуация привела к еще большей понятийной неопределенности, а учитывая, что для современного машиностроения характерно постоянное увеличение количества требований к качеству поверхностного слоя, точности обработки и т. д., термин обрабатываемости в том виде в котором он присутствует не отражает физической сущности характеризуемого им процесса. Поэтому необходимо рассматривать обрабатываемость не просто как сугубо свойство материала при определенном технологическом ограничении, а как комплексный технологический фактор, т.е. ввести термин технологической обрабатываемости материала и разработать единый критерий ее оценки.

Обрабатываемость дает исходную информацию для оценки необходимых технологических и производственных ресурсов на обработку материала, что определяет сроки выполнения технологии, потребное количество оборудования и другие организационные и экономические показатели производства. В итоге, обрабатываемость материала, еще на стадии технологической подготовки предопределяет экономическую эффективность производства и является важнейшим показателем уровня требуемых инвестиций и будущей эффективности производства.

Масштабность обрабатываемости для машиностроения в целом подтверждает тот факт, что в России до 1991 года, при ее плановой экономике, обрабатываемость была положена в основу государственной системы нормирования технологий. При Государственном комитете по труду и социальным вопросам существовало Центральное бюро нормативов по труду (ЦБНТ), включающее НИИ Труда. Эта организация занималась сбором информации по организации технологических процессов (ее отдел по машиностроению), ее статистической обработкой и отработкой методик эффективного представления рекомендаций для проектирования технологий на новые производства. Регулярно выпускались справочники таких рекомендаций, называемые нормативами времени и режимов резания на разные виды работ. Таким образом, показатель обрабатываемости ставился в основу государственной системы оценки трудоемкости технологии обработки материалов.

Завышенная, так и заниженная оценка обрабатываемости, приводит к той или иной форме экономических потерь. Если реальная обрабатываемость материала оказывается выше, т.е. материал обрабатывается лучше, это приведет к недоиспользованию технологического потенциала проектной технологии, т.е. закладывается излишнее количество единиц оборудования или заниженные режимы обработки и т. д. Это фактически для производства выражается в том, что в проектную технологию заложены лишние инвестиции, т.е. экономические потери. Противоположная ситуация - ошибочная оценка обрабатываемости является завышенной, т.е. физически материал обрабатывается хуже, приведет к срыву всей проектной технологии вследствии введения дополнительных единиц оборудования, перезагрузке производства и т. д. Поэтому, задача разработки методики достоверной оценки обрабатываемости материала имеет важное хозяйственное значение.

Существующие в современных справочниках группы обрабатываемости и соответствующие им коэффициенты разработаны на базе опыта предприятий и статистической его обработки. Однако коэффициенты, заданные для группы обрабатываемости, являются усредненными рекомендациями, а следовательно,

и загру б ленными. Этот факт усиливается еще одним важным обстоятельством, при появлении новых марок материалов их интуитивно включали в определенную группу обрабатываемости без какой-либо производственной апробации.

С другой стороны, в настоящее время в машиностроении происходят преобразования, связанные с внедрением: совершенно нового оборудования, которое характеризуется постоянной интенсификацией скоростей приводов рабочих движений станков; прогрессивного режущего инструмента и т. д., что существенно повышает требования к технологическим рекомендациям.

Таким образом, внедрение в производство нового оборудования, режущего инструмента и т. д., с одной стороны, и недостатки существующих технологических рекомендаций, базирующихся на группах и коэффициентах обрабатываемости материалов, неправильное определение которых приводит к существенным экономическим потерям, с другой стороны, наряду с постоянным увеличение количества требований к качеству поверхностного слоя, точности обработки и т. д., вырастает в крупную научную проблему, которая имеет важное хозяйственное значение для машиностроительной отрасли. Решение этой проблемы возможно на основе разработки методики расчетного определения технологической обрабатываемости материалов.

Актуальность разработки методики расчетного определения технологической обрабатываемости усиливается еще одним обстоятельством, характерным для современного машиностроения. Современное материаловедение и технологии создания конструкционных материалов достигли такого уровня, что нередко создается материал под задачу, т.е. технологи имеют материал, для которого известны только его свойства. Здесь единственный путь - расчетное определение обрабатываемости.

Данная работа посвящена разработке методики расчетного определения обрабатываемости в процессах абразивной обработки, вследствие их большого удельного веса в общей номенклатуре видов механической обработки (в современном машиностроении применяются более 70 видов абразивной обработки, а парк станков занимает 21,6 % от общего объема), и предъявляемым к ним более

жестким требованиям по качеству поверхностного слоя, точности обработки и т. д.

Данная работа выполнялась в рамках:

- задания Рособразования на проведение фундаментальных научных исследований: № 01201000749, тема: «Имитационное стохастическое моделирование процессов высокоскоростной механической обработки на базе технологий параллельных вычислений», 2010-2011 гг; № 7.4079.2011, тема: «Теория механического и физико-химического взаимодействия абразивного и обрабатываемого материала в процессах абразивной обработки», 2012- по наст, время.

- грантов Правительства и Губернатора Челябинской области;

- программы воспроизводства кадрового потенциала ЮУрГУ (НИУ).

Цель работы. Разработка методики расчетного определения обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки и создание на ее базе научно-обоснованных инженерных рекомендаций.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1. Формирование понятия и критерия оценки обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки.

2. Систематика видов и наладок процессов абразивной обработки и разработка обобщенных параметров процесса.

3. Разработка обобщенной пространственной стохастической теплофизиче-ской модели процессов абразивной обработки, учитывающей особенности свободного и несвободного резания, а также обратной нелинейной связи процесса по температурно-скоростной прочностной характеристике обрабатываемого материала.

4. Разработка стохастической силовой модели процессов абразивной обработки, учитывающей переменность температуры в зоне контакта и интенсивность сопротивления материала деформации.

5. Разработка теории и комплекса методик расчетного определения обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки.

6. Практическое применение разработанной теории обрабатываемости.

Глава 1. Обрабатываемость материалов в производственных

процессах

1.1. Обрабатываемость в металлообработке

1.1.1. Интуитивные отраслевые понятия обрабатываемости

Практически во всех отраслях промышленности (черная и цветная металлургия, машиностроение и металлообработка, деревообрабатывающая промышленность, промышленность строительных материалов и др.) традиционно существует понятие обрабатываемости сырья, т.е. материала, который подвергается обработке. Например, при сва�